[FIXED]EnergÃa, agua, medioambiente, territorialidad y sostenibilidad

ENERGÍA, AGUA, MEDIOAMBIENTE, TERRITORIALIDAD Y SOSTENIBILIDAD

Xavier Elías Castells Santiago Bordas Alsina

ENERGÍA, AGUA, MEDIOAMBIENTE, TERRITORIALIDAD Y SOSTENIBILIDAD

© Xavier Elías Castells, 2011 (Libro en papel) ¤ Xavier Elías Castells, 2012 (Libro electrónico) Reservados todos los derechos. “No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro u otros métodos sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright”

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ISBN: 978-84-9969- 125-1 (Libro electrónico) ISBN: 978-84-9969-009-4 (Libro en papel)

Para mis hijas Beatriz, Isabel e Irene que como el fuego, el aire y el agua han sido la energía de mi vida. Xavier

A Montserrat Santiago

Í ÍNDICE

Presentación ............................................................................................................................... XIII Prólogo.........................................................................................................................................XV

I EL MODELO ENERGÉTICO ESPAÑOL 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Introducción. Previsión de consumo energético. ..................................................................................3 El consumo energético de la Unión Europea y de España a medio plazo. .........................................29 Producción y abastecimiento de combustible en España ...................................................................45 La distribución de la energía en España. Infraestructuras energéticas españolas. ..............................55 Curvas de demanda y consumo eléctrico............................................................................................71 Coste de generación de la electricidad. Coste real de generación ......................................................83 El ahorro de energía ............................................................................................................................89 Los combustibles fósiles y el impacto ambiental .............................................................................101 Noción de sostenibilidad energética ................................................................................................. 111

II ASPECTOS AMBIENTALES Y DEMOGRÁFICOS RELACIONADOS CON LA ENERGÍA 10. El confort y su repercusión en el consumo energético .....................................................................129 11. Distribución geográfica de la población española ............................................................................135 12. Territorio, energía e impactos ambientales de los sistemas de generación de electricidad. Valoración de los impactos ambientales ...............................................141 13. Sistemas de captura y secuestro de CO2 ...........................................................................................157 14. La desertificación de la península ibérica. Consecuencias energéticas ............................................171 15. El problema del agua desde el punto de vista de la energía. Costes de desalación y trasvases........183 16. Territorio y población. Residuos y efecto invernadero. ....................................................................201 17. Sostenibilidad: huelga ecológica, ambiental y social .......................................................................215

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Energía, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

III ENERGÍA Y TRANSPORTE 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25.

El sector del transporte. Aspectos ambientales y energéticos del transporte. ...................................231 Diversas modalidades del transporte ................................................................................................243 Modelo actual. Sostenibilidad ambiental del transporte. ..................................................................271 Impacto ambiental y sostenibilidad del transporte a medio plazo. ...................................................299 La eficiencia energética del transporte. Alternativas ........................................................................309 Las pilas de combustible...................................................................................................................333 Los carburantes de segunda generación ...........................................................................................361 El transporte de futuro ......................................................................................................................397

IV LA VIVIENDA Y EL CONFORT 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34.

Aspectos ambientales y energéticos de la edificación ......................................................................421 Urbanismo ........................................................................................................................................437 Climatología. Cargas térmicas y demanda energética ......................................................................445 Materiales de construcción. Aislantes...............................................................................................453 Ventilación, calefacción y aire acondicionado..................................................................................485 Domótica...........................................................................................................................................505 Arquitectura bioclimática ................................................................................................................. 511 La vivienda sostenible. Materiales para una construcción sostenible. Equipamiento doméstico ....545 Normativa de edificación en los edificios. CTE, RITE y certificación.............................................581

V ENERGÍAS RENOVABLES 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42.

Definición y expectativas de las diversas fuentes de energía renovable...........................................595 La radiación solar..............................................................................................................................599 La energía del viento ........................................................................................................................651 La energía geotérmica.......................................................................................................................673 La energía hidráulica ........................................................................................................................683 Energía del océano ............................................................................................................................693 Potencial de ubicación y calendario de implantación de las EE RR en España ...............................717 La producción de hidrógeno con EE RR ..........................................................................................729

VI BIOMASA Y BIOENERGÍA 43. 44. 45. 46. 47.

Biomasa y bioenergía .......................................................................................................................741 Combustibles residuales. Valorización de residuos ..........................................................................769 Combustibles líquidos a partir de biomasa .......................................................................................781 Los biogases .....................................................................................................................................799 La eficiencia de las transformaciones energéticas en la biomasa .....................................................819

Índice

XI

48. Las microalgas y los carburantes del futuro .....................................................................................831 49. Biotecnología y sistemas avanzados de ahorro de energía ...............................................................855 50. Noción de biorrefinería .....................................................................................................................871

VII CONCLUSIONES. ENERGÍAS RENOVABLES VERSUS CONVENCIONALES 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57.

Posibilidades reales de sustitución del modelo energético actual ....................................................881 El almacenamiento de la energía ......................................................................................................901 Costes de generación de la electricidad a partir de las energías renovables .....................................921 Costes económicos de las energías renovables en el horizonte de 2040 ..........................................947 Costes de generación de electricidad con el nuevo modelo energético ............................................955 Distribución de la generación de la energía en el nuevo modelo .....................................................959 Conclusiones. El modelo energético del futuro ................................................................................969

Índice analítico ........................................................................................................................................975

P PRESENTACIÓN

Nuestro actual modelo socioeconómico, basado en el crecimiento económico exponencial e ilimitado, se asienta en la abundancia de la energía barata. A primeros de 2008 algo más del 80% de la energía primaria que consumía el mundo procedía de los combustibles fósiles. Cualquier actividad, trabajo o material lleva asociado el consumo de una cantidad determinada de energía. Por tanto, vale la pena meditar sobre la manera en que nuestra sociedad podrá seguir disfrutando de este preciado bien cuando sea preciso cambiar el modelo energético. Esta obra justifica y expone un plan de implantación de energías renovables en España. La actual crisis económica forzará a replantear una reflexión sobre la matriz energética actual, su sostenibilidad y la necesidad de cambio de modelo para no tener que alterar en demasía el nivel de confort variando muy poco los hábitos de vida. Por ello, la obra se divide en tres bloques claramente diferenciados, pero unidos por un mismo hilo conductor: la energía. En el primer bloque, integrado por las partes I a IV, se analizan las causas del consumo energético; en otras palabras, la actual problemática energética. Los españoles tenemos un consumo eléctrico medio, por persona, de 5.711 kWh/año y una energía primaria de 3,2 tep/año 37.200 kWh/año). Esta obra no pone en cuestión si estos consumos son necesarios o no y si resultan elevados, de hecho son inferiores a los de nuestros vecinos comunitarios, aunque sí pueden y deben optimizarse. Sin embargo, el análisis de la situación actual promueve y facilita el hallazgo de soluciones alternativas para el futuro. I.

EL MODELO ENERGÉTICO ESPAÑOL. En esta Parte se desmenuza la estructura del sistema de generación de electricidad, el suministro de combustibles y el sistema de distribución energético. II. ASPECTOS AMBIENTALES Y DEMOGRÁFICOS RELACIONADOS CON LA ENERGÍA. El aumento de la demografía, su asentamiento, la desertificación del territorio, la creciente demanda de agua. La infraestructura asociada a todo ello conduce, inexorablemente, a un incremento del consumo de energía. III. ENERGÍA Y TRANSPORTE. El transporte, en la forma que hoy en día se concibe, es el responsable mayoritario del consumo de petróleo, el vector principal de contaminación y encarna un modelo que no va a ser sostenible a corto plazo. IV. LA VIVIENDA Y EL CONFORT. Los hábitos de vida de los ciudadanos, en especial los relacionados con la vivienda y el urbanismo, tienen un gran impacto en el consumo de energía, tanto en su forma eléctrica como térmica.

XIV


La propuesta de soluciones, componen un segundo bloque integrado por las Partes V y VI, intenta aportar soluciones a corto/medio plazo al problema energético, de manera que en el próximo cuarto de siglo nuestra sociedad pase de una incertidumbre a una sociedad que emplea la energía que precisa de manera limpia y sostenible: V. SOLUCIÓN A LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD: LAS ENERGÍAS RENOVABLES. Las energías renovables devienen como la solución para la generación de electricidad (se demuestra que alguna de ellas podría abastecer la demanda del país). Como se ve a lo largo de esta parte, España, que en 2007 ya generó un 23% de la electricidad a partir de fuentes renovables, tiene un gran potencial de desarrollo. VI. SOLUCIÓN A LOS CARBURANTES DE AUTOMOCIÓN: BIOMASA Y BIOENERGÍA. Los capítulos de esta Parte aportan nuevas vías para la fabricación de biocarburantes que puedan sustituir a los petrocarburantes, sin entrar en litigio con la alimentación humana y el medio ambiente. Entre los diferentes recursos, los carburantes de segunda generación y las microalgas parecen ser las mejor posicionadas, junto al ahorro de energía, para solucionar, a largo plazo, el problema de suministro de carburantes. Además de que muchos automóviles pasarán a utilizar la energía eléctrica o el hidrógeno en pilas de combustible. Una vez expuestos los problemas y las posibles alternativas, en el último bloque, el séptimo, se postulan y justifican las soluciones: VII. CONCLUSIONES. ENERGÍAS RENOVABLES VERSUS CONVENCIONALES. Para establecer el nuevo modelo, se parte de un consumo eléctrico, para 2040, de 424,9 TWh/año, cifra que se justifica por el aumento demográfico, el incremento específico energético y un coeficiente reductor por eficiencia. El nuevo modelo energético postula que se puede llegar al 73,2% de generación a partir de fuentes renovables (sin tener en cuenta la hidráulica convencional, con lo que se alcanzaría el 80% de renovables) a un costo de generación (2,91 c€/kWh) muy inferior al actual. El modelo postula, para 2040, mantener un 20% de generación convencional basándose en la erradicación de la generación eléctrica a partir del carbón, el mantenimiento de las centrales de ciclo combinado y la paulatina sustitución de las actuales nucleares por otras de tercera generación. Para facilitar la comprensión a aquellos lectores poco familiarizados con la terminología técnica, al principio de cada capítulo aparecen unas conclusiones o puntos más destacados, de manera que se pueda llevar a cabo una lectura rápida del libro tan solo con los resúmenes iniciales.

XAVIER ELIAS CASTELLS SANTIAGO BORDAS ALSINA

P PRÓLOGO

Esta obra presenta la problemática actual de la energía en España y plantea una previsión de su situación en el horizonte del 2040, en un contexto global. Nuestro actual modelo de desarrollo ha estado marcado por unos precios de la energía baratos y un crecimiento económico que parecía no tener límites. Sin embargo, cada vez que el precio del petróleo ha aumentado significativamente, se ha generado una grave crisis económica, la última manifestada básicamente por los desastres financieros en EE UU, aunque en ella subyace un acelerado modelo de crecimiento, muy singularmente el del consumo energético La situación energética española es preocupante y particularmente vulnerable. Su dependencia del exterior, cercana al 80%, representa, técnicamente, un gran riesgo, y no existe una política decidida para reconducirla rápidamente. La previsible futura escalada de precios de los combustibles fósiles, provocará sucesivas situaciones de inestabilidad económica en España, más agudas que en los países de nuestro entorno, mucho menos dependientes. Desde la óptica de la generación de CO2, se va también en la misma dirección, que es la opuesta al protocolo de Kyoto pues, en vez de disminuir la emisión de gases contaminantes, éstos crecen desmesuradamente. Es preciso cambiar de modelo, hay que disminuir el consumo masivo de productos de origen fósil, altamente contaminantes, en todos los sectores de consumo final como el transporte, la industria y la edificación, y también en el sector eléctrico cuyo mix de generación es insostenible a medio plazo desde cualquier punto de vista. Los planes energéticos del gobierno para corregir la actual situación resultan insuficientes y poco definidos, y sólo son claros cuando imponen límites a la expansión de ciertas tecnologías, como la eólica o la fotovoltaica. El Real Decreto 661/2007 sobre la generación de energía eléctrica en régimen especial resulta confuso, ya que mezcla constantemente el origen del combustible con la tecnología que se emplea para generar electricidad, y es poco estimulante para el desarrollo de la mayoría de EE RR. En esta línea es también penoso constatar que los últimos gobiernos no han afrontado el coste real de la generación eléctrica, originando un enorme déficit tarifario del sector eléctrico, que continúa creciendo año tras año y que, a su vez, provoca que se dé poca importancia a la electricidad por ser barata. Los españoles, en 2007, consumieron 3,2 tep/año (37.200 kWh/año) de energía primaria y 5.711 kWh/ año eléctricos por persona. En esta obra no se pone en cuestión si estos consumos son necesarios o no, y si resultan elevados, de hecho son inferiores a los de nuestros vecinos comunitarios. En todo cas, la obra muestra que los consumos pueden y deben optimizarse. Es evidente que la población crece y que este crecimiento provocará, junto a un deseo de un mayor bienestar, también un aumento del consumo energético que, con las actuales líneas de actuación, resultará insostenible técnica y económicamente. Ya hemos

XVI


llegado a ser, y va a más, una sociedad totalmente “electrodependiente”. No obstante, se debe subrayar que la disminución del consumo energético específico, no está reñido con el nivel de confort. Es preciso cambiar el modelo de generación energética centralizado y pasar a uno distribuido y más eficaz, en el que tengan un importante peso las EE RR, lo que a su vez permitirá una mayor autosuficiencia energética, mucho más acorde con nuestra posición mundial. España reúne unas características geográficas y climáticas que la hacen especialmente propensa a la producción de EE RR. Esta obra demuestra que España puede generar, en el umbral de 2040, un 70% de energía eléctrica a partir de las EE RR, lo que permitiría un coste de generación competitivo. En efecto, en una central convencional el 20% del coste de la electricidad corresponde a la inversión y el 80% al combustible, y éste evolucionará al alza. En las EE RR la estructura de costes se invierte, por lo que a la larga serán más favorables y estables por la poca trascendencia del combustible en los costes de explotación y por la disminución de la inversión al mejorar con los años la tecnología y la eficiencia. En este recorrido es preciso aprovechar todas las posibilidades de generación de energía y también cambiar los hábitos de su consumo. Existen muchos residuos en España que actualmente van directamente a los vertederos y en cambio podrían ser valorados energéticamente como ya se hace en algunos países de nuestro entorno. Se deberá educar la gestión de la demanda energética. No sólo para evitar el consumo y equilibrar el perfil de la curva del consumo diario eléctrico del país, sino también el nivel de “calidad” de la energía consumida que deberá ser acorde con el tipo de energía producido y/o con el combustible utilizado. El transporte en España consume cerca del 40% de la energía final, que en un 98% procede de derivados del petróleo, y a su vez es el vector principal de contaminación en CO2, SO2, NOx, así como en partículas, alcanzando el 80% de la contaminación en las grandes ciudades españolas. No se concibe prescindir del transporte en el estado del bienestar actual, por lo que es preciso potenciar de manera decidida un cambio radical: el transporte intermodal, la utilización del transporte público, la mejora drástica en la eficiencia de los vehículos que utilizan motores de combustión interna que deben ser progresivamente sustituidos por los coches híbridos, con pila de combustible y eléctricos. Éste es el camino, siempre que la electricidad proceda de fuentes renovables. La introducción masiva de la tracción eléctrica en el automóvil supone la superación tecnológica de importantes retos. En primer lugar, hay que ver cómo va a generarse la energía eléctrica que consuman, en la que las EE RR deben jugar un rol fundamental, pues esta electricidad, lógicamente, no debe ser generada a partir de combustibles fósiles. El segundo gran desafío consiste en la mejora de la tecnología de almacenamiento de energía eléctrica y el tiempo de carga de las baterías. La tercera, quizás la más interesante a medio plazo, puede devenir como un sistema de absorción de la energía eléctrica en horas valle, lo cual sería un complemento perfecto para contrarrestar el carácter aleatorio de producción de las EE RR, lo que favorecería un sistema de generación distribuida y de gestión de la demanda por su recarga nocturna, presumiblemente teleprogramada a nivel global. Además, la implantación de las EE RR favorece, a su vez, el sistema de generación distribuido, lo que redundaría en la reducción, o casi eliminación de las importantes pérdidas en el actual sistema de distribución. Los hábitos de vida de los ciudadanos, en especial los relacionados con la vivienda y el urbanismo, también tienen un gran impacto en el consumo de energía, tanto en su forma eléctrica como térmica, de materiales y de suelo. El sector doméstico consume en España alrededor del 26% de la energía final y, aunque lo realiza en menor cuantía que la media de la UE, también puede y debe entrar en esta dinámica de menor consumo. Aprovechando la bonanza económica, durante muchos años ha habido un crecimiento desmesurado que ha originado grandes despilfarros. En estos últimos años en España se han construido tantas nuevas viviendas como en Italia, Francia, Alemania e Inglaterra juntas, y con ello ha aumentado exponencialmente el consumo. Para corregir ésta y otras situaciones y disminuir el impacto producido de forma drástica, el Parlamento Europeo ha presentado un informe de energía cero en los edificios construidos a partir del 2019. España tiene un clima particularmente favorable para que ello sea posible,

Prólogo

XVII

aprovechando, especialmente, las EE RR. Se han iniciado acciones con la nueva reglamentación, Código Técnico de la Construcción y Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, pero se debe ir aún mucho más lejos, utilizando más y mejores aislamientos que los que propugna la actual normativa, con la aplicación intensiva de la arquitectura bioclimática, la domótica, la industrialización, etc. En este sector, por su particular consumo intensivo de materiales y suelo, se debe analizar el ciclo de vida desde el inicio de una construcción hasta su demolición, y se debe hacer hincapié en el reciclado de los materiales, tal como se propone en este libro. Todos estos aspectos son elementos básicos para un mejor aprovechamiento energético y para conseguir el confort de una forma natural. En este sentido, desde el año 2000, e incluso desde antes, se ha desaprovechado una gran oportunidad. En conclusión, en esta obra los autores presentan una perspectiva crítica de la situación de la energía en la España actual, con muchos de sus problemas y vías de solución actuales o futuros, junto a una previsión para el 2040 basada en las EE RR, que permitiría el progreso, una mayor competitividad internacional y un modelo de bienestar sostenible.

Girona, febrero de 2011 JOSEP-MARÍA TERRICABRAS

I EL MODELO ENERGÉTICO ESPAÑOL

Todos los expertos en cambio climático señalan las 450 ppm de CO2 como la “línea roja” de emisiones. Rebasar este límite llevará incorporado un aumento de 2ºC en la temperatura media del Planeta. Para evitar esta catástrofe hay que cambiar, en pocos años y de forma radical, los modelos de producción y uso de energía. La previsión de consumo energético mundial, en los albores del 2030, es que aumente en un 60%. China, segundo consumidor después de EE UU, le sobrepasará aumentando su consumo cerca de cuatro veces. Esta situación resulta insostenible, las reservas de combustibles fósiles son limitadas y sus precios inexorablemente aumentarán. La actual estructura energética española está basada en el petróleo. En un futuro inmediato se prevé un aumento muy importante de las energías renovables, un gran aumento en consumo de gas, y mantenimiento de la nuclear y del consumo de carbón. La distancia entre los centros de generación de electricidad y los puntos de consumo constituye un factor de insostenibilidad por pérdidas en líneas de transporte. La potencia de generación eléctrica ha crecido significativamente, en cambio la longitud de líneas de transporte apenas han variado en los últimos años. La curva de demanda eléctrica, que puede seguirse en tiempo real, manifiesta importantes fluctuaciones, diarias, semanales, mensuales…, y siempre con una evolución creciente. Estas provocan una gran fluctuación en su precio que puede variar hasta multiplicarse por cinco en un mismo día. Las puntas de consumo, que hay que cubrir, dan lugar a que haya una importante potencia instalada que funciona solamente unas pocas horas al año. La gestión busca influir en el consumidor para que modifique su patrón de demanda con la finalidad de lograr un ahorro neto de energía, un uso más eficiente y racional de las instalaciones. En España existe un importante déficit tarifario en la generación de electricidad, ya que por ella el abonado paga mucho menos de lo que realmente cuesta. En un aspecto global, según el índice de sostenibilidad “huella ecológica”, en España se consume cerca de tres veces la capacidad de recarga de los recursos naturales. Ante estas expectativas, se propugna el ahorro, la puesta en marcha de sistemas de recuperación, cogeneración y de valorización de residuos, junto con la implantación de energías renovables. Dentro de la valorización se estudian los sistemas de gasificación, pirólisis e incineración, y solo utilizar como última opción los vertederos, por ser el sistema más contaminante y de nulo aprovechamiento energético.

Índice I: EL MODELO ENERGÉTICO ESPAÑOL 1. Introducción. Previsión de consumo energético ................. 3 • Introducción .................................................................... 4 • Aspectos relacionados con el cambio climático ............. 9 • Conceptos básicos sobre energía .................................. 13 2. El consumo energético de la Unión Europea y España a medio plazo. ................................................................... 29 • Introducción .................................................................. 30 • Petróleo y modelo económico....................................... 30 • El precio del petróleo .................................................... 34 • La demanda energética en la Unión Europea y su proyección ..................................................................... 36 • Proyección de la oferta energética en la Unión Europea .............................................................. 38 • Estructura energética en España ................................... 39 • La evolución de la potencia eléctrica instalada en España ........................................................................... 42 3. Producción y abastecimiento de combustible en España ............................................................................... 45 • Introducción .................................................................. 46 • Combustibles fósiles y autoabastecimiento de energía en España ...................................................................... 46 • Abastecimiento energético español de petróleo y gas .. 50 • Stocks de seguridad de productos petrolíferos y Gas Natural .......................................................................... 52 4. La distribución de la energía en España. Infraestructuras energéticas españolas. ....................................................... 55 • Introducción .................................................................. 56 • Infraestructura eléctrica. Distribución de la energía eléctrica ......................................................................... 56 • Infraestructuras para el gas ........................................... 64 • Infraestructuras para el petróleo ................................... 67 5. Curvas de demanda y consumo eléctrico. ........................ 71 • Introducción .................................................................. 72

• • • •

Curvas de demanda eléctrica ........................................ 72 Gestión de la demanda eléctrica ................................... 78 Legislación vigente para la regulación de la demanda . 80 Perspectiva europea sobre la seguridad de suministro y la demanda ................................................................. 82

6. Coste de generación de la electricidad. Coste real de generación ......................................................................... 83 • Introducción .................................................................. 84 • El coste de generación y la tarifa de energía eléctrica en España ...................................................................... 86 • El déficit tarifario .......................................................... 87 7. El ahorro de energía .......................................................... 89 • Introducción .................................................................. 90 • Objetivo para una correcta gestíón de la energía .......... 92 • Rendimiento técnico y ahorro de energía ..................... 97 • Concepto de energía primaria y energía final ............... 98 8. Los combustibles fósiles y el impacto ambiental ........... 101 • Introducción ................................................................ 102 • Impacto ambiental sobre el medio natural .................. 102 • Fuentes de energía de bajo impacto ............................ 103 • La sostenibilidad de la generación de electricidad ..... 103 9. Noción de sostenibilidad energética ................................111 • Introducción ................................................................ 112 • La gestión de la biomasa desde el punto de vista energético .................................................................... 114 • La eficacia de las conversiones energéticas ................ 120 • El ciclo cerrado de la energía ...................................... 122 • Posicionamiento de la UE hacia la sostenibilidad energética .................................................................... 123

BIBLIOGRAFÍA. PARTE I

Introducción. Previsión del consumo energético

1

EL MODELO ENERGÉTICO ACTUAL SERÁ INSOSTENIBLE A CORTO PLAZO • Los países emergentes, bajo el acrónimo de BRIC (Brasil, Rusia, India y China), alterarán los parámetros de energía establecidos hasta hoy. • Sin un cambio radical de modelo energético, la previsión en 2030 es que el consumo mundial de energía sea un 60% superior al actual, con el petróleo y el carbón como fuentes de mayor consumo, y el gas natural el de mayor crecimiento, con un renovado crecimiento para la nuclear y ligero incremento de las renovables en valor absoluto, aunque con una ligera disminución relativa en el mix de todas las energías. • El ritmo de consumo energético no es sostenible y los combustibles fósiles tienen un techo de producción, y unas reservas estimadas probadas entre 50 y 60 años para el petróleo y gas natural, y de unos 190 años para el carbón. • En la primera década del siglo XXI, EE UU consumía el 25% de la energía mundial con algo más del 4% de la población mundial. • En 2030 los países con mayor consumo de energía serán China (que triplicará el actual), EE UU (aumento del 70%) e India (casi cuadruplicará). • La previsión del PIB y consumo de energía primaria (tep per cápita) para España es de un aumento anual de alrededor del 2% y 0,5% respectivamente. Valores similares tendrán los países de nuestro entorno. • En conjunto, el consumo de energía mundial entre 2005 y 2030 puede representar un incremento del 60%. • La Agencia Internacional de la Energía pone de manifiesto que el único escenario sostenible (para que la temperatura del Planeta no aumente 2ºC: lo que los científicos denominan “línea roja sin retorno”) para 2020 es que, en este año, la emisión de CO2-equiv, no supere las 450 ppm (en 2008, superó las 380 ppm). • En su resumen anual (2008) y recomendaciones, la AIE postula el uso de energías renovables para tomar el relevo a la generación de electricidad a partir de combustibles fósiles. • La intensidad energética de España, como país desarrollado, es mala. La intensidad de emisión de CO2 también lo es. La única alternativa son las EE RR. • En las máquinas térmicas, corazón de los sistemas de conversión energético a base de combustibles fósiles, el ciclo de Carnot permite determinar el máximo rendimiento, o lo que es lo mismo, la máxima conversión del calor disponible en trabajo útil.

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• El ciclo OCR (ciclo orgánico de Rankine) tiene una gran aplicación en los procesos de energías renovables, en especial con la biomasa y las energías oceánicas.

Introducción La planificación del incremento/decremento de la demanda energética es difícil ya que depende de numerosos factores relacionados, principalmente con la demografía y la actividad económica. Según la patronal eléctrica UNESA (Asociación Española de la Industria Eléctrica), como consecuencia de la crisis económica, en España, en 2009, ha habido una caída del consumo del 4,3% (255.721 MWh). Se trata de la tercera reducción en consumo desde 1959. Los otros años fueron 1993 (0,3%) y 2008 (0,2%). Por otro lado, el aumento de la generación eólica, que en la madrugada del 23 de diciembre de 2009, llegó a cubrir el 54,1% de la demanda na-

cional y la producción hidráulica debido al desembalse, ha obligado a las térmicas convencionales a trabajar en mínimos técnicos. En los albores del siglo XXI nadie sabe cómo va a evolucionar la demanda y, sobre todo, la oferta de combustibles y de energía en el horizonte de 2050. La Tabla 1.1 reproduce el producto interior bruto (PIB, en millones de euros, que el Fondo Monetario Internacional estima para 2007), la población y el consumo de energía según la EIA (Energy Information Administration, del gobierno de los Estados Unidos, con datos referidos al año 2004 y actualizados a 2006).

Tabla 1.1. PIB por habitante (2007) y consumo de energía (2006) por habitante.

País Estados Unidos China India Japón Alemania Reino Unido Francia Brasil Italia Rusia España México Corea del Sur Canadá Indonesia Taiwan Australia Turquía Argentina Sudáfrica Totales/medias

PIB (millones €) Habitantes x1.000 €/habitante 9.150.899 290.000 31.555 7.842.119 1.300.000 6.032 3.193.606 1.050.000 3.042 2.936.541 130.000 22.589 1.834.101 83.500 21.965 1.534.381 60.000 25.573 1.378.452 62.000 22.233 1.360.739 180.000 7.560 1.276.008 58.000 22.000 1.289.689 145.000 8.894 885.274 45.200 19.586 844.418 105.000 8.042 844.926 48.000 17.603 822.344 30.000 27.411 711.957 240.000 2.966 506.718 25.000 20.269 493.642 17.000 29.038 488.230 75.000 6.510 466.928 37.000 12.620 435.965 44.000 9.908 38.296.937 4.024.700 9.515

tep x 1.000 tep/habitante 2.517.879 8,68 1.861.076 1,43 445.727 0,42 574.551 4,42 368.872 4,42 247.158 4,12 288.587 4,65 242.947 1,35 203.461 3,51 766.186 5,28 164.150 3,63 185.507 1,77 238.207 4,96 351.751 11,73 104.617 0,44 115.208 4,61 141.482 8,32 98.515 1,31 79.478 2,15 130.539 2,97 9.125.899 2,27


De la tabla anterior vale la pena destacar unos comentarios: •

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Los veinte primeros países del mundo ordenados por su PIB representan el 62% de la población mundial. De estos países, once sobrepasan la “media” de 15.000 €/habitante y año de PIB, mientras que los nueve restantes no alcanzan los 8.000 €/año. En términos absolutos de consumo de energía, EE UU consume casi la cuarta parte de la energía mundial. Los siguientes consumidores, a bastante distancia, son China y Rusia, con un consumo del 74% y del 30% del que tiene EE UU. En el consumo de energía per cápita, Canadá, EE UU y Australia son los mayores consumidores, seguidos de Rusia y el grupo de Corea del Sur, Francia, Taiwán, Japón y Alemania, estos con un consumo muy similar. El consumo per cápita de Canadá es casi el triple y EE UU el doble del que tiene el grupo encabezado por Corea del Sur. EE UU consume per cápita seis veces más que China, y más de veinte veces que la India. EE UU, Australia y Canadá son los países con mayor PIB per cápita y también el de mayor consumo per cápita de energía, aunque no en el mismo orden. En general a mayor PIB per cápita corresponde mayor consumo per cápita. Fuera de esta regla están, por ejemplo, el Reino Unido con un alto PIB per cápita y un relativamente bajo consumo de energía per cápita, y en sentido contrario Rusia. España está en el onceavo lugar en PIB y en el consumo de energía per cápita, en el décimo del PIB per cápita y el treceavo en consumo absoluto de energía.

Si se quiere tener una aproximación de cuál va a ser el consumo de energía en las próximas décadas habrá que estar bien atentos a aquellas naciones que, hoy en día, se hallan por debajo de los 10.000 €/habitante y tienen una importante demografía y una economía en desarrollo, como China, India, Brasil, México, Indonesia y Turquía. En esta línea, la Tabla 1.2 hace una aproximación a casi 25 años teniendo en cuenta la información de la EIA,

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que a grandes rasgos, puede simplificarse en los siguientes criterios: •

•

Los países que tienen un PIB superior a 15.000 €/habitante y año, en los próximos 25 años experimentarán un crecimiento demográfico bajo que no llegará al 1,1% anual (Europa el 0,2%, Japón decrecerá el 0,13%...), aunque EE UU y Canadá estarán ligeramente por encima del 1,2%, mientras que el incremento de la actividad económica (PIB) será del 1,5% y la demanda energética (tep) será, en el mismo periodo, del 1,1% al 1,3% anual, con excepciones para Europa, al 0,7%, y Japón, al 0,3%. En el caso de España se ha realizado una importante corrección debido a la inmigración, tanto europea como de otros continentes, con un incremento demográfico del 0,65% acumulado anual, lo que arrastrará también al consumo. Estos valores, como se comentará más adelante, no están lejos de la valoración del INE (Instituto Nacional de Estadística). Por esta misma razón –debido a la inmigración, se ha hecho una corrección, aunque en menor cuantía, en los casos de Alemania, Francia, Italia y Reino Unido. Los países que tienen un PIB inferior a 15.000 €/habitante y año, en los próximos 25 años experimentarán un crecimiento demográfico anual importante del 1,3% al 1,7%, aunque con correcciones para China, con un 1,1%, y Rusia que decrecerá al 0,5%, mientras que el incremento de la actividad económica (PIB) será, en el mismo periodo, del 5,3% anual y la demanda energética (tep) estará entre el 1,6% de Rusia y el 4,2% de China.

Los resultados que pueden extrapolarse de la Tabla 1.2 parecen ser concluyentes: •

El primer comentario, que hoy día ya se está empezando a vislumbrar, es el importantísimo consumo absoluto de China, que sobrepasará el doble de su consumo actual y casi duplicará el consumo actual de EE UU adelantándolo en el ranking. Aunque a gran distancia, Rusia e India también serán gran-

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Tabla 1.2. PIB por habitante y consumo por habitante previstos para 2030.

País Estados Unidos China India Japón Alemania Reino Unido Francia Brasil Italia Rusia España México Corea del Sur Canadá Indonesia Taiwan Australia Turquía Argentina Sudáfrica Totales/medias

•

•

•

PIB(millones €) 13.081.236 27.084.096 11.029.663 4.197.794 2.621.853 2.193.402 1.970.501 4.699.544 1.824.057 4.454.161 1.265.502 2.916.342 1.207.824 1.175.543 2.458.865 724.355 705.663 1.686.186 1.612.615 1.505.679 88.414.879

Habitantes x1.000 381.350 1.634.100 1.478.400 126.100 91.516 65.760 67.952 253.440 63.568 129.195 52.810 141.278 61.728 39.450 353.666 32.153 21.369 110.52 54.523 64.839 5.223.370

des consumidores. En conjunto, el consumo de energía mundial entre 2005 y 2030 puede significar un incremento de cerca del 60%. Canadá continuará con el mayor consumo per cápita, seguido de un grupo con consumos parecidos formado por Australia, EE UU y Rusia. Las potencias europeas y Japón tendrán un consumo per cápita moderado. China tendrá un PIB de casi el doble de EE UU, que pasará a segundo lugar, e India será la tercera. Rusia casi cuadriplicará su PIB per cápita hasta valores típicamente europeos. China, Brasil y México se acercarán a triplicar y aunque estarán en valores medios, pasarán a la cabecera de los países con el PIB más alto.

La Agencia Internacional de la Energía (AIE), en su informe de 2007, incorpora un apartado destinado a analizar la capacidad de producción de

€/habitante 34.302 16.574 7.461 33.289 28.649 33.355 28.998 18.543 28.695 34.476 24.121 20.643 19.567 29.798 6.953 22.529 33.023 15.257 29.577 23.222 16.927

tep 3.311.011 4.782.966 879.420 615.344 452.974 303.511 354.385 428.559 249.850 1.103.308 211.097 327.235 392.803 473.456 198.773 184.332 186.049 172.402 151.008 234.969 15.013.454

tep/habitante 8,68 2,93 0,59 4,88 4,95 4,62 5,22 1,69 3,93 8,54 4,02 2,32 6,36 12,00 0,56 5,73 8,71 1,56 2,77 3,62 2,87

petróleo hasta 2015. La Tabla 1.3 muestra las conclusiones. El informe de la AIE publicado en 2008 rebaja, debido a la crisis económica, el crecimiento de la demanda mundial de petróleo. Así, prevé una tasa de crecimiento del 1% anual hasta alcanzar los 106 millones de barriles en 2030. Como indica la Tabla 1.3, de 2005 a 2015 deberán aportarse 11,7 millones de barriles diarios (mb/d). Los miembros de la OPEP han puesto en marcha, o están a punto de hacerlo, 90 megaproyectos que en 2015 aportarían estos 11,7 mb/d. Además, con el concurso de los países que no pertenecen a la OPEP, la oferta se podría alargar hasta los 13,6 mb/d. Sin embargo la AIE calcula que el promedio mundial de declive de los campos en explotación se sitúa en torno al 3,7% anual. Esta tasa tan elevada refleja el hecho de que el 70% de la producción mundial de crudo proviene de campos con más de treinta años de historia a sus espaldas.

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Introducción. Previsión del consumo energético Tabla 1.3. Evolución de la demanda de petróleo en el mundo hasta 2015.

PREVISIONES EN LA DEMANDA DE PETRÓLEO Millones de barriles diarios (mb/d) Crecimiento de la demanda mundial Crecimiento medio mundial del PIB Previsión para 2015 Aumento previsto 2000/2015 La conclusión de la AIE es que, para mantener el ritmo de demanda previsto teniendo en cuenta el declive de los campos, se debería alcanzar una oferta de 37,5 mb/d, de lo contrario, el precio crecería de forma exponencial. El petróleo se enfrenta a un escenario marcado por las tensiones en los próximos años, y el incremento de la oferta no será suficiente para paliar el fuerte aumento de la demanda por la pujanza de China, India, y de los demás países emergentes. La actual capacidad de producción excedentaria se verá reducida a niveles mínimos en torno a 2012, según las estimaciones de AIE. Según el informe estadístico de energía de British Petroleum en 2007, una de la referencias de la industria, el mundo tiene aún reservas probadas suficientes, 1.317.600 millones de barriles, para abastecer cerca de 50 años a las tasas de consumo actuales. La incógnita es a qué precio. Las mayores reservas se encuentran en Oriente Medio, América del Norte y en mucho menor porcentaje en África. Las reservas de petróleo en Europa están principalmente representadas por los países del Este y sobre todo por los países que pertenecieron a la extinta URSS. El gas natural será el recurso energético que experimente mayor aumento en el consumo, según EIA en su informe de 2007. Se prevé un incremento promedio de 2,3% por año de 2002 a 2025 (las previsiones para el crudo es del 1,9% y el 2% para el consumo de carbón). Durante el periodo 2004 a 2030 se proyecta un aumento en el consumo de gas del 63%, pasando de 2,8 trillones de metros cúbicos a 4,6 trillones de metros cúbicos, un aumento que solo puede ser comparable al que se prevé para el carbón. La previsión es que el gas natural continúe como una importante fuente de suministro para la generación de energía eléctrica. Esta elección se

84,7 1,3% 4,2% 96,4 11,7

mb/d

mb/d mb/d

debe a que presenta una reducción en emisiones gaseosas, en comparación con el fuelóleo o el carbón. Casi el 50% del incremento de gas natural demandado entre 2002 y 2025 irá a parar a la producción de electricidad. Las reservas de gas natural se estiman en 175 trillones de metros cúbicos y se encuentran de nuevo en los países de Oriente Medio, seguido por Europa del Este y los antiguos países de la Unión Soviética. En el año 2004, el carbón supuso el 26% del consumo energético mundial. Dos tercios de esta cantidad fueron destinados a la producción de electricidad. Las previsiones indican que para el año 2030 la importancia relativa del carbón aumentará hasta el 28% y su participación en la producción de energía eléctrica a escala mundial aumentará del 43 al 45%. Así, el consumo de carbón experimentará un crecimiento del 74% para el periodo entre 2004 y 2030, pasando de 114.4 cuatrillones de Btu (114,4·1012 Btu), 2,88 billones de tep (2,88·109 tep) en 2004 a 5,02 billones de tep (5,02·109 tep). Hasta el año 2015 el incremento medio del consumo será del 2,6%, crecimiento que se ralentizará hasta el 1,8% en el periodo 2015-2030. Los países ajenos a la OCDE son los responsables del 85% del incremento, ya que en las economías avanzadas el carbón continuará siendo sustituido por el gas natural y las energías renovables. Aunque en la actualidad el carbón es la segunda fuente emisora de dióxido de carbono por detrás del petróleo, se espera que para 2010 ya sea la primera; crecerá hasta alcanzar el 43% de las emisiones en 2030, frente al 36% del petróleo o el 21% del gas natural. Las principales reservas de carbón, unos 997.748 millones de toneladas, se encuentran en Asia y Oceanía con el 32%, América del Norte con

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el 28% y Europa del Este y antiguos países de la Unión Soviética con otro 28%. Una relación de reservas a junio de 2007 y por países puede encontrarse en www.eia.doe.gov/emeu/international/ contents.html. Se estima que hay reservas para unos 190 años. Las perspectivas del futuro de la energía nuclear han mejorado debido a la fuerte subida en los precios de los combustibles fósiles y a la entrada en vigor del Protocolo de Kyoto. Se prevé que la generación eléctrica a partir de energía nuclear se incremente a una tasa media del 1,3% anual desde 2004 a 2030. Se pasará de 2.619 billones de kWh a 3.619 billones. Esto contrasta con previsiones anteriores que vaticinaban un descenso de la importancia de la nuclear, ya que se tenía en cuenta el desmantelamiento de muchas de las actuales instalaciones. Sin embargo, la incidencia de los efectos derivados de la aplicación del Protocolo de Kyoto hace prever que, lejos de proceder a un desmantelamiento, se va a alargar la vida útil de las centrales nucleares. En los mercados emergentes el consumo de electricidad a partir de la energía nuclear aumentará en un 4,9% al año, ente 2002 y 2025. En Asia, China, India y Corea del Sur es donde se espera el mayor incremento en instalaciones nucleares. La demanda de electricidad, de acuerdo con las previsiones realizadas en 2007, crecerá un 2,4% anual, de los 16.424 billones de KWh a los 30.364 billones. La mayor parte de este crecimiento, como en el caso del carbón, se debe a las necesidades de las economías emergentes fuera de la OCDE. Para el año 2030 se prevé que aquellas generen más electricidad que los países de la OCDE, y con una demanda hasta tres veces mayor. En cuanto a las fuentes de producción de electricidad, se espera que el carbón siga siendo la principal materia prima utilizada, incluso en 2030, a pesar del crecimiento del gas natural. La generación de electricidad a partir del petróleo crecerá a un ritmo menor en los países de la OCDE debido al incremento del precio del crudo, mientras que en las economías menos desarrolladas llegará incluso a descender a un ritmo del 0,3% anual. Tan solo en Oriente Medio, donde las reservas son muy abundantes, se continuará usando el petróleo como fuente fundamental de provisión de electricidad.

La hidroelectricidad y las energías renovables continuarán creciendo a razón de 1,7% anual. Las renovables se beneficiarán de los altos precios de los combustibles fósiles, y por ser energías poco contaminantes. Son muchos los gobiernos que están llevando a cabo políticas de fomento de las energías renovables, incluso en situaciones en las que no podrían competir con los combustibles fósiles debido a su rentabilidad. Sin embargo, según Annual Energy Outlook 2006, preveían que las energías renovables perderían importancia relativa en la generación de electricidad a escala mundial: del 19% de 2004 al 16% de 2030, debido al mayor aumento en el uso del carbón y del gas natural. No obstante, el informe solo recoge las renovables controladas comercialmente, y no otros usos no comerciales (por ejemplo, el biocombustible usado en las economías más primitivas) que proporcionan energía a 2.500 millones de personas en todo el mundo. Además el AIE, en la edición de la Annual Energy Outlook 2008, estima que las fuentes de energía renovables aumentarán un 23% más rápido de lo que se había previsto entre esta fecha y 2030. Así, las perspectivas en energías renovables prevén que se sitúen en 12,2 cuatrillones de BTU de energía en 2030, en comparación con los 9,9 de las previsiones anteriores. La ONU, el Banco Mundial, el Fondo Monetario Internacional y la IAE ponen en duda la viabilidad económica, a medio plazo, de la industria del biofuel, como alternativa al petróleo. En 2012 supondrá solo el 2% del consumo mundial de carburantes, a pesar de su progresión para vehículos en Europa y EE UU. Por otra parte, hoy en día resulta imposible hablar de energía sin citar sus múltiples interacciones con el medio ambiente. Es por este motivo que es imprescindible llevar a cabo una introducción sobre el comportamiento de los denominados combustibles convencionales que, desde el punto de vista de su combustión, poco difieren de las diversas biomasas, sean residuales o no. Los procesos de combustión de combustibles pueden dar lugar a la generación de sustancias contaminantes. Por esta razón, actualmente no es posible separar el concepto de generación de energía y el de la conservación del medio ambiente.


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Aspectos relacionados con el cambio climático Hoy en día nadie niega la evidencia del Cambio Climático, como la comunidad científica internacional viene advirtiendo desde hace muchos años y todo el mundo está de acuerdo en que hay que estabilizar el nivel de CO2 en la atmósfera y reducir las emisiones totales para 2050 a más de la mitad como mínimo. La Agencia Internacional de la Energía, en octubre de 2009, ha editado un documento (“How the energy sector can deliver on a climate agreement in Copenhagen”) donde la comisión de expertos energéticos postula la futura política de suministro de energía sobre la cantidad de CO2 máxima que el planeta podrá soportar en un futuro inmediato, lo que se denomina Escenario 450, es decir: que política energética debe hacerse para llegar a 2020 con una concentración en la atmósfera de 450 ppm de CO2 equivalente, de manera que la temperatura, este año, no sobrepase en 2 ºC la actual. Hay que decir que la apuesta es muy arriesgada puesto que la concentración de CO2, en 2007, era de 384 ppm. A falta de datos concretos para España, se transcriben las recomendaciones para la UE: •

20% de reducción de las emisiones de CO2para 2020 (en relación a 2007). equv

Figura 1.1. Previsión de emisión de CO2-equv para la UE.

•

•

•

Para lograr este objetivo, la generación de energía que emite CO2-equv procedente de los transportes, debe descender un 37%, con respecto 2007. Debe alcanzarse una reducción del 17% en las emisiones procedentes de la industria y un 7% por lo que hace referencia a la vivienda. Para ello es preciso invertir, aproximadamente, 45·109 €, en tecnologías de baja emisión de carbono y eficiencia energética hasta 2020.

La Figura 1.1, muestra los macrodatos de la UE relativa a la emisión de CO2-equv en Gt/año. Los datos de 2020 hacen referencia a lo que acontecería si no se toman medidas especiales para la contención de emisiones (en este escenario se rebasarían los 450 CO2-equv). Precisamente el gráfico pone en evidencia el peso mayoritario, de la emisión de CO2-equv procedente de la generación de electricidad. De manera similar, la Tabla 1.4 pone de manifiesto los principales parámetros para lograr los mismos objetivos. La Figura 1.2 reproduce las recomendaciones aparecidas en el informe “How the energy sector can deliver on a climate agreement in Copenha-

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Tabla 1.4. Indicadores de la UE.

Población (millones) % población mundial % sobre PIB mundial % sobre CO2 mundial t CO2 per cápita Demanda energía (tep/habitante) Intensidad CO2 (mundo 2007=100) Gt CO2 acumulado desde 1890 % CO2 acumulado mundial Intensidad CO2 (g/kWh) Intensidad vehículos (2007=100)

1990 473 9% 27% 19% 8,5 3,5 90 211 27% 581 -

2007 496 7% 22% 13% 7,8 3,5 60 276 23% 436 100

2020 508 7% 18% 10% 7,0 3,4 46 322 20% 348 74

2020 (450) 508 7% 18% 10% 6,1 3,3 40 320 20% 275 63

2030 508 6% 16% 9% 6,9 3,5 39 358 18% 312 65

2030 (450) 508 6% 16% 9% 4,5 3,3 25 346 18% 118 46

Figura 1.2. Capacidad de generación de electricidad, en GW, en la UE para el escenario de emisión de 450 CO2-equv.

gen”, sobre la capacidad de generación de electricidad para lograr el escenario de emisiones de 450 CO2-equv.

•

De la Figura 1.2 cabe destacar: •

Que las centrales con captación y secuestro de CO2 van a jugar un papel importante a partir de 2010.

•

En 2007 la potencia total, en la UE, era de 725 GW, con un 30% de renovables, mientras que en 2030 hay que alcanzar los 1.140 GW pero habiendo doblado la importancia de las EE RR. Que la previsión para 2030 muestra que la generación de electricidad a partir de fuentes renovables deberá ser del 58%, en toda

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la UE, si se pretende alcanzar el escenario de 450 CO2-equv.

INTENSIDAD ENERGÉTICA Y EFICIENCIA La Figura 1.3 muestra, en valores de 2006, la relación entre la emisión global de CO2 y la emisión per cápita. Si bien, desde hace años, la China es el principal emisor en valores absolutos, el primer país emisor por habitante es Australia seguido de EE UU.

La intensidad energética propiamente dicha relaciona la energía primaria con el PIB, no obstante es interesante representar la intensidad de emisión de CO2 en relación al PIB. De la Figura 1.4 se desprende que los grandes países más ineficientes son Rusia y China, mientras que los países desarrollados se muestras notablemente más eficientes. Dentro de ellos, como muestra la figura, Alemania tiene una intensidad de emisión menor que España o EE UU, es decir es, energéticamente, más eficiente. En el caso de España, estos parámetros han ido empeorando ya que las emisiones de CO2 han aumentado mucho.

ALGUNOS MOTIVOS DEL FRACASO DE LA CUMBRE DE COPENHAGUE Si como todo el mundo está de acuerdo, la masiva emisión de CO2 comienza con la revolución industrial, convendría remontarse a esta época para contabilizar en este periodo, 150 años, la importancia en la contribución a la generación de gases de efecto invernadero, de los principales actores: Figura 1.3. Emisiones totales de CO2 y emisiones per cápita.

Las emisiones deberían compararse en un contexto de desarrollo. Así, teniendo en cuenta que la UE, Australia, Canadá y EE UU tienen un grado de desarrollo similar, también lo deberían ser las emisiones. No obstante, los países europeos se hallan entre 8 y 11 t CO2/habitante y año, mientras Australia, Canadá o EE UU están en valores cercanos al doble. Tan importante es este factor que existen estadísticas, como la representada en la Figura 1.4, que correlacionan la emisión de CO2 por unidad monetaria del PIB.

Figura 1.4. Intensidad energética.

EE UU: UE: Rusia: China: India: Resto:

29,3% 26,5% 8,1% 7,6% 2,2% 26,1%

Es lógico, que tanto los países emergentes como los que se hallan en vías de desarrollo, exijan a los que hasta hoy han emitido más del 50% del CO2, unas compensaciones tecnológicas y económicas para que puedan realizar su desarrollo sin deteriorar más el medio ambiente y mermar los recursos materiales y energéticos. La respuesta de los países que integran la OCDE (y de la China por otro lado) ha sido muy decepcionarte, máxime si se observa, como muestra la Tabla 1.5, que los hábitos de consumo apenas se han alterado. En el caso del estado español, como refleja la Tabla 1.6, los valores se hallan encuadrados en la media de los países de la OCDE. Solo comparando las dos primeras filas se aprecia la diferencia abismal existente entre la media del mundo y los países de la OCDE. A título de resumen se compara, en las dos últimas filas, las veces de más que la OCDE o España superan la media mundial en parámetros de consumo.

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El dióxido de carbono (CO2) es uno de los gases de efecto invernadero que permanecen durante más tiempo en la atmósfera. Las emisiones de CO2 aumentarán de 26,9 billones de toneladas en 2004 a 33,9 en 2015 y a 42,9 en 2030, con un promedio de crecimiento del 1,8% entre 2004 y 2030. El incremento será menor en los países de la OCDE (0,8%) que en los no pertenecientes (2,6%). Entre los prime-

ros, será México el que experimente un crecimiento mayor (2,3%), mientras que el mayor aumento a escala mundial lo ostentará China, cuyas emisiones crecerán un 3,4% debido a su fuerte dependencia de los combustibles fósiles, especialmente el carbón. De hecho, en 2010 ya superará a Estados Unidos como principal emisor, y para el año 2030 ya superará el volumen emitido por los norteamericanos en un 41%.

Tabla 1.5. Principales parámetros mundiales. País/Área Mundo OCDE Asia (- China) África Latinoamérica Alemania Argentina Australia Brasil Canadá China España Estados Unidos Francia India Indonesia Japón México Reino Unido Rusia

Habitantes x1000 6.609.000 1.185.000 2.148.000 958.000 461.000 83.500 37.000 17.000 180.000 30.000 1.300.000 45.200 290.000 62.000 1.050.000 240.000 130.000 105.000 60.000 145.000

tep x 1000 12.029.000 5.497.000 1.377.000 629.000 550.000 368.872 79.478 141.482 242.947 351.751 1.861.076 164.150 2.517.879 288.587 445.727 104.617 574.551 185.507 247.158 766.186

Consumo eléc TWh/año 18.187 10.048 1.514 554 847 591 105 237 413 560 3.114 283 4.113 481 610 127 1.083 214 373 898

Emision Mt CO2 28.962 13.001 2.898 882 1.016 798 163 396 347 573 6.071 345 5.769 369 1.324 377 1.236 438 523 1.587

Tabla 1.6. Principales consumos unitarios. País/Área Mundo OCDE Asia (- China) África Latinoamérica Alemania Argentina Australia Brasil Canadá China España Estados Unidos Francia India Indonesia Japón México Reino Unido Rusia OCDE/Mundo España/Mundo

tep/habitante 1,82 4,64 0,64 0,66 1,19 4,42 2,15 8,32 1,35 1,73 1,43 3,63 8,68 4,65 0,42 0,44 4,42 1,77 4,12 5,28 2,5 2,0

kWh/año y habitante 2.752 8.479 705 578 1.837 7.078 2.838 13.941 2.294 18.667 2.395 6.261 14.183 7.758 581 529 8.331 2.038 6.217 6.193 3,1 2,3

t CO2/habitante y año 4,38 10,97 1,35 0,92 2,20 9,56 4,41 23,29 1,93 19,10 4,67 7,63 19,89 5,95 1,26 1,57 9,51 4,17 8,72 10,94 2,5 1,7


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Conceptos básicos sobre energía Como introducción a la generación de energía a partir de recursos renovables y no renovables, es aconsejable realizar un breve repaso a los principios y conceptos asociados a la energía y su transformación. Es conocido desde hace siglos, en especial desde Leibnitz, que en los fenómenos puramente mecánicos la energía mecánica se conserva. Sin embargo, la relación entre la energía mecánica y la térmica no se consolidó hasta 1840, por James Joule. Este observó cómo la energía mecánica se transformaba en calor, existiendo siempre la misma relación cuantitativa entre la energía mecánica que entregaba y la cantidad de calor que aparecía. Esta relación es conocida como equivalente

mecánico de calor, y demostró que el calor no es más que una de las formas en que la energía de un sistema se transfiere. Así, la energía puede intercambiarse en forma de calor o de trabajo y ambas tienen las mismas unidades que tiene la energía Esta y otras experiencias demuestran que los conceptos de calor y trabajo no son más que una transferencia de la energía que posee un sistema. A esta se le conoce como energía interna y es una propiedad intrínseca del sistema para un determinado estado, que variará cuando entregue parte de su energía interna. La transferencia de energía se realizará en forma de calor y/o de cualquier tipo de trabajo, mecánico, eléctrico, etc., entregándola al sistema o sistemas con los que interactúe.

Unidades de energía La energía que tiene almacenada un cuerpo se manifiesta en forma de trabajo, por lo que el valor de este trabajo será una medida de su energía. En el Sistema Internacional (S.I.) la unidad de trabajo y energía es el julio (J), que equivale al trabajo desarrollado por la fuerza de 1 newton (N) al desplazar su punto de aplicación 1 metro (m). En física nuclear la unidad de energía utilizada es el electronvoltio (eV), que se define como la energía de un electrón al pasar entre dos puntos separados por una diferencia de potencial de 1 voltio (V): 1 eV = 1,602·10-19 J La unidad de energía en electricidad es el kilowatio-hora (kWh), que se define como el trabajo realizado por una máquina de 1 kilowatio (kW) de potencia durante 1 hora (h): 1 kWh = 3,6·106 J Para las fuentes energéticas, las unidades representan su poder calorífico. La unidad kcal/kg representa el número de kilocalorías obtenidas en la combustión de 1 kg de combustible: 1 kcal = 4,186·103 J = 10-3 termias La unidad tec (tonelada equivalente de carbón) representa la energía liberada por la combustión de 1 tonelada de carbón (hulla): 1 tec = 29,3·109 J Una tep (tonelada equivalente de petróleo) equivale a la energía liberada en la combustión de 1 tonelada de petróleo: 1 tep = 41,84·109 J = 107 kcal = 11.628 kWh= 7,35 br Siendo la relación entre estas dos unidades: 1 tep = 1,428 tec Las unidades energéticas más empleadas en terminología inglesa son: 1 Btu = 1,055·103 J

y

1 termia (US) = 105 Btu

Otras magnitudes utilizadas son el Quads, el barril (br) de petróleo (con una capacidad de 0,159 m3), y el bcm (con una capacidad de 109 m3), que tienen una energía de: 1Quads = 1,055·1018 J 1br = 136·104 kcal = 1.582 kWh 1 bcm = 104 Mtermias

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Energía, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad Figura 1.5. Las diferentes formas de energía son intercambiables entre ellas.

Por esta transferencia de energía se conocen las diferentes formas de energía que posee un sistema: mecánica, nuclear, radiante, eléctrica, química, térmica, potencial, etc., siendo transformables las unas en las otras, como muestra la Figura 1.5. No se debe confundir fuentes de energía con formas de energía. Las fuentes energéticas representan el lugar de donde se puede obtener la energía. Por ejemplo, el agua de un embalse es una fuente energética, ya que su energía potencial puede transformarse en eléctrica. El carbón también es una fuente de energía, ya que su energía química puede convertirse en térmica. Las fuentes energéticas se pueden clasificar en función de si provienen de recursos renovables o no renovables. Las fuentes de energía provenientes de recursos no renovables se encuentran limitadas, y sus reservas disminuyen a medida que se consumen. Se distinguen: 1. Carbón. Combustible fósil producido por la acumulación de vegetales que, a causa de variaciones de presión y temperatura, han

sufrido un proceso de mineralización y carbonización. Puede ser de diferentes tipos: antracita, hulla, lignito y turba. El de mayor poder calorífico1 y también el más antiguo es la antracita. 2. Petróleo. Combustible fósil formado principalmente por hidrocarburos, proveniente de la descomposición anóxica de los restos de organismos vivos. 3. Gas natural. Combustible de origen común al petróleo, formado principalmente por metano. Su utilización ha aumentado en lo últimos años, ya que su conversión energética contamina menos que el resto de combustibles convencionales. 4. Energía nuclear. Proviene de las reacciones nucleares o de la desintegración de los átomos. La fisión nuclear consiste en la división de un átomo pesado, mientras que la fusión nuclear, investigada para poder ser utilizada comercialmente en el futuro, está basada en la unión de núcleos ligeros para formar otro más pesado. El problema de la fusión es que

1 El poder calorífico de los diferentes tipos de carbón aumenta con el contenido en carbono. El de mayor poder calorífico es la antracita, seguido de hulla, lignito y turba.


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Figura 1.6. Esquema del funcionamiento de una central hidroeléctrica. El agua almacenada tiene una energía potencial que se transforma en cinética al abrirse las compuertas. Al caer acciona una turbina que transmite su movimiento al rotor del generador, que produce electricidad. (Fuente: UNESA).

es necesario alcanzar temperaturas de millones de grados centígrados, por lo que todavía no existen reactores adecuados. Las fuentes que provienen de recursos renovables son inagotables. Cabe destacar: 1. Energía hidráulica. Obtenida a partir de la energía contenida en el agua aprovechando los saltos de las presas, Figura 1.6. 2. Energía solar. Proviene directamente del Sol en forma de radiación electromagnética, pudiéndose transformar en calor (ener-

gía solar térmica) o en electricidad (energía solar fotovoltaica), Figura 1.7. 3. Energía eólica. Producida por la fuerza del viento. Debido a su naturaleza dispersa e intermitente solo puede aprovecharse en unas zonas concretas. 4. Energía de la biomasa. Se obtiene de los compuestos orgánicos a partir de cultivos energéticos, residuos forestales, etc. 5. Energía geotérmica. Se basa en el calor que se transmite por conducción desde el interior de la Tierra hasta la superficie.

Figura 1.7. Representación esquemática del funcionamiento de un panel fotovoltaico. La radiación solar en forma de energía luminosa incide sobre el panel, de manera que es capaz de generar electricidad.

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ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR La Tabla 1.7 pone de manifiesto la necesidad de recursos según los distintos tipos de energía primaria (nuclear, carbón…) en su conversión en energía eléctrica, indicando la cantidad de combustible necesario para el funcionamiento de una central de 1.000 MW. Tabla 1.7. Conversión energética. Necesidades anuales de combustible para una central de 1.000 MW, a un 75% de capacidad (Fuente: CCHEN). CONVERSIÓN ENERGÉTICA Fuente energética Cantidad anual Uranio 30 toneladas Carbón 2,1·106 toneladas Fuelóleo 10·106 barriles Gas natural 1,8·109 m3 Paneles solares 10.125 ha RSU 6,2·106 toneladas

Un ejemplo típico de trabajo mecánico es el movimiento de los álabes de una turbina cuando se expande el vapor de agua sobre ella, es decir, el volumen del vapor con la variación de presión del mismo. La energía en forma de trabajo se manifiesta por la variación de algún parámetro externo del sistema, sean sus propias dimensiones o debido a la acción de fuerzas exteriores que lo desplazan. A diferencia del trabajo, el calor, o mejor dicho, la transferencia de calor, se manifiesta cuando existe una diferencia de temperatura en-

tre el sistema (Ts) y el medio (Tm) que lo rodea. El calor se transfiere espontáneamente desde el sistema de mayor al de menor temperatura, como muestra la Figura 1.8, variando la temperatura del propio sistema u otras características de su estado. El calor no está almacenado en un sistema, solo es una energía en tránsito. Gran parte de todo lo comentado anteriormente sobre la energía queda reflejado en: a) La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Esta es una ley universal, que gobierna todos los procesos naturales conocidos hasta la fecha, de la cual no se ha observado excepción alguna, y que constituye la ley de la conservación de la energía. Después de Einstein y en un sentido físico estricto, esta ley ha quedado ampliada con su conocida relación entre masa y energía. Al poner en contacto un cuerpo frío con otro caliente, se sabe que se igualan sus temperaturas con el paso del tiempo, y no sucede al revés, por lo que se concluye que el proceso se realiza en una determinada dirección. Además, una vez unificadas las temperaturas no puede espontáneamente volverse a las condiciones iniciales. También es conocido que un motor térmico tiene un bajo rendimiento, es decir, es incapaz de transformar toda la energía del combustible en trabajo. Estos aspectos que afectan directamente en qué dirección se realizan y con qué aprovechamiento de energía, pueden reflejarse en:

Figura 1.8. Representación gráfica del intercambio de calor entre el sistema y el medio que le rodea en función de sus temperaturas. El sistema cede calor cuando su temperatura (Ts) es mayor que la del medio (Tm), y viceversa.


b) La energía se degrada en cada transformación. Ambos aspectos, a) y b), lejos de ser contradictorios, se complementan y constituyen una primera visión del primer y segundo principios de la Termodinámica.

¿QUIÉN GOBIERNA LA ENERGÍA? La Termodinámica, es la ciencia que estudia la energía y sus transformaciones, relacionando el conjunto de las propiedades de la materia con su comportam iento en los procesos físicos y químicos. Las leyes de la termodinámica exponen las restricciones generales que impone la naturaleza a tales transformaciones. Así la Termodinámica además de evaluar la energía que se involucra en las transformaciones, indica en qué dirección se realiza y el máximo rendimiento que se puede alcanzar. Una forma de enunciar los dos principios citados de la Termodinámica es: • •

La energía del Universo es constante. La entropía del Universo aumenta continuamente.

Estos enunciados llevan implícito que el Universo es un sistema aislado. En Termodinámica hay que definir el sistema y caracterizar sus límites a través de los que se realizarán los intercambios de energía. Un sistema se dice que es aislado cuando no puede intercambiar ni energía, ni materia con el

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medio que le rodea, como esquematiza la Figura 1.9. En cambio, un sistema se dice que es abierto cuando puede intercambiar materia y energía con el medio que le rodea. Un ejemplo de sistema abierto es el Sol. Este tiene un carácter indefinido, al menos a escala humana, ya que hace miles de millones de años que envía energía a la Tierra y seguirá haciéndolo durante otro periodo de tiempo similar. Se puede considerar al Sol como la fuente directa o indirecta de toda la energía empleada, ya que los combustibles fósiles existen gracias a la fotosíntesis desarrollada hace millones de años; el ciclo del agua asociado a las centrales hidroeléctricas es originado por la energía solar y el viento empleado como materia prima en la energía eólica se produce a partir de la diferencia de temperaturas en distintas zonas de la atmósfera. La Tierra posee unas reservas de materia susceptibles de ser transformadas en energía, pero su cantidad es limitada. La radiación solar, interceptada por la Tierra, constituye la principal fuente de energía renovable. La cantidad de energía captada anualmente por la Tierra es aproximadamente de unos 5,4·1024 J, unas 4.500 veces más energía que la consumida por todos los países del mundo. El Sol es una fuente energética limpia e inagotable, capaz de evitar la dependencia del petróleo y de otras energías alternativas menos seguras y más contaminantes, como las centrales nucleares y las térmicas.

Figura 1.9. En un sistema aislado no existe intercambio de materia ni de energía con el medio que le rodea, mientras que este intercambio sí existe en un sistema abierto.

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La energía de un sistema se manifiesta por su capacidad para desarrollar un trabajo y cumple el principio de conservación, de forma que toda la energía ganada por el sistema es exactamente igual a la energía perdida por el medio con que interactúa. Además, la energía únicamente se pone de manifiesto al ser transferida de un sistema a otro. La energía almacenada en un combustible depende exclusivamente de su naturaleza, o lo que es lo mismo, del análisis elemental (contenido en carbono, hidrógeno, azufre, etc.), susceptible de liberar energía al combinarse con el oxígeno. Sin embargo, la forma de liberar la energía sí dependerá de la manera en que se lleve a cabo. Imaginemos una cantidad determinada de biomasa: Si se quema en una sofisticada instalación con un mínimo exceso de aire será capaz de generar, en una caldera, un vapor de agua a alta presión que, a su vez, producirá una notable cantidad de electricidad al expandirse en una turbina. En cambio, si la combustión se lleva a cabo con un elevado exceso de aire, la temperatura de los gases de combustión será tan reducida que el vapor generado en la caldera de recuperación será de baja presión y temperatura, lo que limita mucho sus posibilidades energéticas. Finalmente, si la biomasa se abandona se degradará y acabará convirtiéndose en biogás (también combustible) si se encuentra en un medio anaerobio; pero si se abandona en presencia de aire, se transformará en CO2 y agua.

En cualquiera de los tres supuestos anteriores, la energía almacenada en la biomasa es la misma pero la forma de aprovechar esta energía, es decir, el calor y su transformación en otro tipo de energía, es muy diferente. La Figura 1.10 pretende esquematizar, que la misma cantidad de energía liberada puede dar lugar a diferentes cantidades de energía útil y pérdidas. La conclusión que se deriva de esta observación es que la variación de energía propia del sistema, conocida como energía interna (U), es independiente de la forma en que tenga lugar la transformación; en cambio, en función de estas condiciones de transformación, el calor y el trabajo desarrollados serán diferentes (aunque su suma sea constante, ya que debe cumplirse el primer principio de la Termodinámica). A partir de ello puede concluirse que la energía interna es una función de estado (solo depende del estado del sistema), pero que ni el calor ni el trabajo (exceptuando el trabajo máximo) lo son, ya que dependen del camino escogido para realizar la transformación. La energía interna tiene particular importancia en los procesos que dependen de la temperatura. No es necesario conocer el valor absoluto del contenido de energía interna de un sistema, ya que lo que interesa son las variaciones de esta, que se manifiestan en la energía que da o recibe el sistema en forma de calor o de trabajo.

Figura 1.10. Representación esquemática del calor útil o aprovechable (CA) y de las pérdidas (P) en función del proceso.

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PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA El primer principio de la Termodinámica identifica el calor (Q) como una forma de energía, pudiendo transformarse en trabajo (W). El primer principio afirma que si en un sistema determinado se produce una transformación, la variación de energía interna del sistema entre un estado inicial y otro final (U2-U1) ha de ser igual a la diferencia entre el calor entregado al sistema durante la transformación (Q) y el trabajo total realizado durante esta transformación (W): U2 – U1 = Q – W Este principio termodinámico hace referencia a la Ley de Conservación de la Energía, y afirma que la energía no se puede crear ni destruir, y también que el calor y el trabajo son la manifestación por los que los sistemas intercambian energía entre sí. En esencia el primer principio de la Termodinámica no es más que la formulación matemática del aspecto cuantitativo de la ley de la conservación de la energía. En el supuesto de un sistema que evolucione cíclicamente, caso de la mayoría de máquinas, a cada ciclo el sistema vuelve a su condición inicial, y tendrá otra vez la misma energía interna, U2=U1, con lo que la anterior expresión quedará Q=W

Por tanto un sistema que evolucione cíclicamente puede proporcionar energía en forma de calor en igual cuantía que la energía en forma de trabajo que ha recibido. Según el primer principio también podría ser cierto a la inversa, y convertir en trabajo toda la energía que ha recibido en forma de calor, pero esto no es posible como consecuencia del segundo principio de la Termodinámica, que impone una determinada dirección a los procesos. En otras palabras, calor y trabajo son dos formas de energía equivalentes según el primer principio, pero existe una asimetría en su posible conversión según el Segundo Principio. Cuando se consume biomasa, se genera un calor que se aprovecha en forma de trabajo en una máquina o sistema, y el resto se elimina en forma de gases calientes que se emiten a la atmósfera. Inevitablemente aparecen los gases calientes. Llegados a este término, ¿cómo se conserva la energía? Si se parte de un sistema en el que se aporta una energía primaria en forma de calor (Q), se produce un trabajo (W) y una energía térmica residual (Q’), como muestra la Figura 1.11. La aplicación del primer principio a este sistema responde a la siguiente expresión matemática: Q = W + Q’ Por tanto en esta situación real se cumple el primer principio, pero inevitablemente aparece la

Figura 1.11. El calor suministrado a un sistema no se transforma totalmente en trabajo, sino que una parte se convierte en calor residual.

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energía térmica residual (Q’) que impide que todo el calor que entra al sistema se convierta íntegramente en trabajo. • La Ley de Conservación de la Energía constituye el enunciado del Primer Principio de la Termodinámica: la energía ni se crea ni se destruye, sino que se transforma. Por ejemplo, en el proceso de combustión de carbón, la cantidad de energía de entrada ha tenido que transformarse en otra (energía útil, emisión de gases calientes, generación de escorias, etc.). La cantidad de energía resultante es la misma, aunque no está “concentrada”, y no se puede aprovechar. Como se verá más adelante, ha aumentado la entropía. Aun cuando la energía se pueda convertir de una forma a otra, no se puede crear ni destruir. La biomasa (biomasa forestal, biomasa animal, etc.) constituye un ejemplo de acumulación de energía gracias a la fotosíntesis y la energía procedente del Sol. Al liberar la energía de la biomasa mediante un sistema de conversión energética, una parte se transforma en calor útil (el calor sensible de los gases de combustión se transfieren a una caldera) y otra en calor residual, ya que las pérdidas del sistema se disipan calentando momentáneamente la atmósfera, que finalmente cederá parte de la energía recibida al exterior para restablecer de este modo el equilibrio.

Entalpía

La entalpía es una magnitud que caracteriza el sistema de igual modo que la energía interna. Como esta tampoco es importante conocer su valor absoluto, sino su variación, sin embargo sí se utiliza en muchas ocasiones un valor de referencia en las condiciones normales, de las que hay incluso tablas. La entalpía se utiliza para determinar las variaciones de energía del sistema en los procesos en los que interviene la presión. Así, se define la entalpía, o mejor la variación de entalpía, como el calor transferido en un proceso isobárico, es decir, a presión constante. Matemáticamente, la entalpía (H) equivale a: H = U + PV Donde U es la energía interna, P la presión y V el volumen. En el caso del vapor de agua, al no comportarse como un gas ideal, para evaluar la evolución de su contenido energético se utilizan los siguientes conceptos: •

Entalpía del líquido. Es el calor necesario para llevar 1 kg de agua desde 0ºC hasta su temperatura de ebullición a una presión

•

•

absoluta determinada. En las tablas de vapor, este valor se lee en la columna “líquido saturado”. Entalpía de vaporización. Es la energía necesaria para convertir 1 kg de agua líquida en vapor a la misma temperatura y presión. La entalpía de vaporización disminuye a medida que aumenta la presión hasta alcanzar la presión crítica del agua, en que la entalpía de vaporización es nula. Entalpía del vapor para pasar de la temperatura de vaporización a una temperatura determinada. Se determina mediante la cantidad de calor para pasar de una a otra temperatura manteniendo la presión constante. La entalpía total equivale a la suma de las tres anteriores.

En los procesos de valorización de biomasa en calderas de recuperación y turbinas de vapor es preciso recalentar el vapor. Para calcular la entalpía del vapor recalentado se puede multiplicar el calor específico (que varía con la temperatura y la presión desde 0,44 kcal/kg·ºC para pequeños grados de recalentamiento hasta 2 kcal/kg·ºC) por la diferencia entre la temperatura del vapor saturado y la de recalentamiento.

SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA La necesidad del segundo principio de la Termodinámica nace de por qué unos procesos se realizan de forma espontánea en una determinada dirección y no en la contraria. Hay numerosos ejemplos como: el agua fluye espontáneamente de los niveles superiores a los inferiores, una sal se disuelve en agua, o la falta de simetría en la transformación del calor y del trabajo ya comentado. El segundo principio hace referencia a la imposibilidad de transformar, en una máquina cíclica, todo el calor en trabajo, tal y como se muestra en el motor térmico de la Figura 1.12. El motor térmico trabaja entre dos focos a diferente temperatura TH y TC, absorbiendo calor del foco o fuente caliente y cediendo una parte de éste a la fría. No se ha construido nunca un motor que absorba calor y lo transforme totalmente en trabajo. A partir de este hecho se obtiene el segundo principio de la Termodinámica formulado por


Figura 1.12. Representación esquemática de un motor térmico. Absorbe calor de un foco caliente y cede una parte de este calor al foco frío, proporcionando un trabajo al exterior.

Kelvin-Planck y Clausius: no existe ningún proceso que absorba calor de un foco caliente y lo transforme íntegramente en trabajo. Concepto de entropía

Del enunciado de la Segunda Ley de la Termodinámica se deriva que de forma espontánea, real, la energía solo puede cambiar en una única dirección, es decir, de utilizable a no utilizable, de disponible a no disponible, de ordenada a desordenada. La medida de este grado de desorden recibe el nombre de entropía, que es una magnitud termodinámica que permite interpretar el porqué del sentido direccional de los procesos físicos y químicos, y explicar la conversión incompleta de calor en trabajo a pesar de que cualquier energía, en forma de cualquier tipo de trabajo, pueda transformarse completamente en calor. Así, de acuerdo con el segundo principio, todo cuanto existe en el Universo comenzó en forma de energía concentrada disponible y se está transformando con el paso del tiempo en energía dispersada y no disponible. La entropía mide la tendencia que

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tiene la energía disponible de cualquier sistema a pasar a una forma no disponible, o cuando menos a una situación más degradada. Así al poner dos cuerpos con distintas temperaturas en contacto se observa, indefectiblemente que, con el tiempo, alcanzarán la misma temperatura, y aunque la energía se ha conservado, se ha degradado, pues ahora ya no puede aprovecharse para obtener trabajo. En este cambio la entropía aumenta. Antes, cuando los dos cuerpos aún estaban a distinta temperatura sí que podía obtenerse trabajo, energía útil, como se verá en el siguiente apartado, con la máquina de Carnot. El segundo principio de la Termodinámica afirma que la entropía de un sistema aislado nunca puede decrecer. En el caso de que un sistema alcance una configuración de máxima entropía significará que habrá alcanzado el equilibrio y por tanto ya no tendrá capacidad de evolucionar. Visto de esta forma, parece que la naturaleza se desarrolla, puede “evolucionar”, cuando está en una forma ordenada, y no puede “evolucionar” cuando está totalmente desordenada. En el caso de la combustión de biomasa o carbón2, se produce calor y trabajo, y el resto del calor, en forma de pérdidas y gases calientes, se emite de forma difusa a la atmósfera como energía no disponible, con lo que aumenta la entropía. También se dice que la energía se ha degradado. La variación de entropía de un sistema entre un estado inicial y otro final, cualquiera que sea el proceso real realizado, puede evaluarse determinando el cociente entre el calor intercambiado por el sistema y su temperatura en cada parte de un proceso que lleve al sistema de su estado inicial al mismo estado final a través de un proceso ideal reversible. La variación de entropía de un sistema aislado en un proceso real o espontáneo siempre aumenta. Si el sistema interactúa con otro, en conjunto constituirán un sistema aislado, en que el sistema propiamente puede disminuir (o aumentar) de entropía a costa de que con

2 En la escala geológica también se debería considerar a los combustibles fósiles como “una forma de biomasa”, ya que los procesos de generación son similares. La diferencia es que, en el caso de los recursos fósiles, dicho proceso ocurrió hace centenares de millones de años y el carbono “secuestrado” se encuentra fuera del circuito. Se entiende por “circuito” el ciclo de carbono. Cuando la biomasa se oxida, se genera CO2, y más tarde, la fotosíntesis lo vuelve a fijar en la biomasa.

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el que interactúe aumente en mayor cantidad (o disminuya en menor cantidad), con lo que en el conjunto habrá aumentado. El concepto de proceso “reversible” es complejo y a grandes rasgos se refiere a que el proceso puede invertir su dirección intercambiando iguales cantidades de calor y trabajo. A efectos prácticos significa que es un proceso teórico en el que los sucesivos cambios se hacen infinitamente lentos y con cantidades muy pequeñas, infinitesimales, de calor y trabajo.

La máquina térmica de Carnot Consiste en una máquina que produce trabajo a partir de calor mediante un proceso cíclico reversible. Esta máquina, teórica, es la más eficiente que existe. Como puede observarse en la Figura 1.13, la máquina de Carnot absorbe calor Q de la fuente caliente a temperatura constante, y lo cede, Q’, también isotérmicamente, a la fuente fría. Asimismo, los procesos adiabáticos que unen las dos isotermas también son reversibles, por lo que todo el ciclo de Carnot es reversible.

El teorema de Carnot

Una de las consecuencias del segundo principio de la Termodinámica es el teorema de Carnot. Es posible demostrar que un motor que funciona entre dos fuentes a temperaturas diferentes siguiendo un ciclo de Carnot reversible tiene un rendimiento mayor al de cualquier máquina que funcione entre estas dos mismas fuentes. Este descubrimiento tan importante con relación al rendimiento de las máquinas térmicas, o máquinas empleadas para la conversión del calor en trabajo, fue enunciado por N.L.S. Carnot en los siguientes términos: “Todos las máquinas de Carnot que funcionan entre las mismas fuentes tienen el mismo rendimiento, independientemente de la sustancia que experimenta el ciclo”. El ciclo de Carnot está formado por dos procesos isotérmicos, es decir, a temperatura constante, y dos procesos adiabáticos, en los que no existe intercambio de calor.

Figura 1.13. Representación en un diagrama temperatura-volumen del ciclo de Carnot, constituido por dos procesos adiabáticos y otros dos isotérmicos.

Ejemplo Una máquina térmica, cuya fuente de energía es combustible nuclear, funciona entre la temperatura del reactor (o del horno) y la del medio ambiente, que en este caso viene representada por la temperatura de un río, donde se descarga la energía no aprovechada. La energía eléctrica producida es de 900 MW(e). Sabiendo que las temperaturas del reactor y la del río son 320 oC y 20 oC, respectivamente, calcular la eficiencia máxima de la máquina térmica y la elevación de la temperatura del río. (Nota: el ejemplo también sería válido para una central térmica de combustible fósil). Energía generada 900.000 kW(e) Temperatura del reactor 320 oC Temperatura del río 20 oC Eficiencia máxima de la máquina térmica 51% Eficiencia real térmica (respecto la máxima) 60% Rendimiento real 30% Energía total desarrollada por el sistema 2.965.000 kW Calor descargado al río 2.065.000 kW Caudal fluvial 170 m3/s Masa de agua 170.000 kg/s Salto térmico 2,9 oC


El rendimiento (K) de la máquina térmica de Carnot es igual al cociente entre el trabajo útil conseguido en el ciclo y el calor gastado o entregado, esto es: el cociente del trabajo total (W) ejecutado en el ciclo y el calor (Q) tomado al foco caliente. Si las temperaturas de la fuente caliente y fría, en grados Kelvin, son TH y TC, respectivamente, se puede demostrar que el rendimiento será:

Esta expresión indica el limite máximo del rendimiento que puede tener cualquier máquina real que trabaje entre una temperatura TH de la fuente caliente y una temperatura TC de la fuente fría.

EL CICLO DE RANKINE En el ciclo de Rankine, el fluido se hace recircular en un ciclo cerrado reversible. En la Figura 1.14 se muestran los componentes del ciclo de Rankine, también conocido como ciclo de la máquina de vapor. En el ciclo de Rankine se comprime reversiblemente agua a baja presión y temperatura hasta la presión de la caldera, donde se calienta el agua adiabáticamente, hasta la temperatura de satura-

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ción. Después del proceso de evaporación, se recalienta el vapor, expandiéndose posteriormente de forma reversible y adiabática en una turbina hasta la presión del condensador, después se elimina el calor del vapor residual caliente mediante agua fría. El ciclo se repite al entrar el vapor condensado en la bomba de alimentación de la caldera. Para conjugar los principios termodinámicos con la práctica industrial, se propone un ejemplo. En un horno se quema un 1 kg de carbón cuyo PCI equivale a 6.500 kcal/kg. El rendimiento del conjunto es del 84%, correspondiendo el 16% del calor restante a gases calientes emitidos a la atmósfera y a pérdidas varias. El calor que se aprovecha en la caldera, será:

Admitiendo que este calor se emplea íntegramente para la generación de vapor de agua y que en este subcircuito (turbina de vapor) no hay pérdidas, el vapor de agua sigue el ciclo de Rankine de la Figura 1.15. En el ciclo de Rankine todos los procesos son perfectos: se eliminan las turbulencias a causa de las diferencias de presión para favorecer la circulación del vapor de agua, e igualmente se consideran negligibles el rozamiento y las pérdidas de calor.

Figura 1.14. Representación esquemática del ciclo de Rankine.

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Figura 1.15. Representación de un diagrama presióm-volumen del ciclo de Rankine.

El ciclo de Rankine está formado por las siguientes etapas: a) 1 o 2: compresión adiabática del agua hasta la presión de la caldera. En esta primera etapa, la temperatura varía muy poco. b) 2 o 3: calentamiento isobárico del agua hasta alcanzar el punto de ebullición. c) 3 o 4: vaporización isobárica y, lógicamente, isotérmica, ya que durante los cambios de fase la temperatura se mantiene constante. En el punto 4 se obtiene vapor saturado. d) 4 o 5: recalentamiento isobárico del vapor saturado hasta vapor recalentado. e) 5 o 6: expansión adiabática del vapor recalentado hasta vapor húmedo. f) 6 o 1: condensación isobárica (e isotérmica) del vapor húmedo saturado en agua líquida. Durante las etapas isobáricas de calentamiento (2 o 3), vaporización (3 o 4) y recalentamiento (4 o 5), el sistema recibe calor de un foco caliente, mientras que durante la etapa de condensación (6 o 1) cede calor a un foco frío. El rendimiento termodinámico (K), definido en el ciclo de Carnot y aplicado a este ciclo, despreciando el trabajo de compresión entre 1 o 2, se define como:

Donde: H5: corresponde a la entalpía del vapor recalentado. H6: corresponde a la entalpía del vapor a la salida de la turbina. H5 H6: es la energía que se transforma en trabajo útil. H5 H1: es la energía suministrada. De las pérdidas de calor (Q’, que equivale a la diferencia entre el calor absorbido del foco caliente y el trabajo generado, Q – W) la parte más significativa es la que corresponde a la condensación del vapor. La importancia del ciclo de Rankine radica, principalmente, en dos aspectos: 1. Se utiliza en la mayoría de las conversiones energéticas de la biomasa y del carbón. 2. Da una idea de la efectividad de la transformación en electricidad de la biomasa. La utilización más eficiente de la biomasa consiste en su generación como forma de energía. Esta


se puede llevar a cabo mediante diferentes procesos: combustión, pirólisis y gasificación. La mayoría de las plantas de generación de energía eléctrica a partir de biomasa operan siguiendo un ciclo de Rankine, tecnología aplicada desde principios del siglo XX. En este caso, la biomasa se quema en una caldera y genera vapor a alta presión, y a través de una turbina produce electricidad. El rendimiento eléctrico medio suele ser del 20% (energía en bornes del alternador respecto a la energía del combustible).

EL CICLO ORGÁNICO DE RANKINE (ORC) El ORC es un ciclo termodinámico de no-sobrecalentamiento que utiliza un fluido de trabajo orgánico para producir electricidad. Es similar al ciclo de Rankine aplicado a una turbina de vapor convencional, a excepción del líquido que es un fluido orgánico de bajo punto de ebullición y elevado peso atómico. Algunos de estos fluidos utilizados son: el aceite térmico, refrigerantes como el octafluoropropano (R-218), el isobutano (R600-A), algunos siloxanos, otros fluidos como el tolueno, el benceno, etc. Durante el proceso, el fluido se calienta hasta la ebullición en el haz tubular de la caldera, y el

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vapor que se expande se utiliza para impulsar una turbina, que a su vez mueve un generador que convierte el trabajo en electricidad. El vapor se vuelve a condensar en líquido otra vez, tras pasar por el condensador, y regresa al sistema al ser bombeado de nuevo a la caldera. Entre la turbina y el condensador puede instalarse un recuperador, como muestra la Figura 1.16, donde el fluido deja calor cuando sale de la turbina y lo recupera después de haber condensado. Este ciclo presenta ciertas ventajas, en algunos casos, respecto a su homólogo de vapor de agua, por un funcionamiento, puesta en marcha y paradas más simples, menor presión en el circuito, una mayor duración de la turbina por no existir erosión y trabajar a una menor velocidad de rotación. Actualmente este ciclo tiene un gran interés en el aprovechamiento de la biomasa, y en particular en la que no puede convertirse en pellets, pues aplicando el ciclo ORC los gases de combustión o el vapor no pasan por el interior del motor o turbina. Además, la introducción de los fluidos orgánicos trae diferencias fundamentales en la concepción del ciclo ORC diferenciándolo del ciclo Rankine tradicional, haciéndolo ideal para fuentes de baja temperatura, menor de 500 ºC, pues los fluidos tienen bajas presiones y temperaturas críticas. Estas características convierte tales fluidos en un com-

Figura 1.16. Ciclo Orgánico de Rankine (ORC).

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plemento ideal para fuentes renovables como la energía solar o la combustión de biomasa, además de su posible aplicación en la cogeneración industrial, al poder ser expandidos a muy bajas presiones en la turbina, lo que permite un aumento en la eficiencia del ciclo. Los ciclos Rankine que funcionan con agua y vapor habitualmente utilizan varias etapas de recalentamiento intermedio en las turbinas. Se distinguen, principalmente, la turbina de baja, media y alta presión, pues el agua al expandirse se enfría cayendo en la zona saturada, y como una turbina solo puede soportar el desgaste por un porcentaje mínimo de “calidad del vapor” (aproximadamente el 95%), se deben aplicar estas etapas intermedias de recalentamiento para poder aprovechar la energía que aún tiene el vapor y aumentar la eficiencia. Lo anterior no sucede en un ORC, pues el fluido no se enfría en la turbina, por lo que nunca se llega a la “calidad” o condensación parcial en la expansión del fluido, requiriéndose de esta manera una turbina de solo una etapa, reduciendo así la complejidad de la planta. Los ciclos ORC son mejores en el rango de algunos kW a los 5 MW, mientras que para potencias superiores los ciclos Rankine de vapor presentan mejores rendimientos. Actualmente se encuentran en curso diversas investigaciones para ampliar el rango de aplicabi-

Figura 1.17. Central oceánica que trabaja entre una zona superficial y otra a gran profundidad.

lidad de los ciclos ORC, que han encontrado su mayor aplicación en la cogeneración con calderas de biomasa para aprovechar los gases de escape. Por otro lado, la industria de pilas de combustible de carbonato fundido ha presentado diversos estudios, siendo el más importante uno que plantea mejorar alrededor de un 13% la eficiencia de instalaciones de 2 MW gracias al uso de un ciclo ORC que funciona con una mezcla de siloxanos. La generación geotérmica ha sido una de las principales en promover el uso de este ciclo debido a la baja temperatura de sus fuentes de energía. Otra aplicación, de esperanzador futuro, es la central oceánica, esquematizada en la Figura 1.17, situada siempre en una zona cálida. Se bombea agua en gran cantidad entre una toma próxima a la superficie y otra a gran profundidad. La primera está a una temperatura de unos 30 ºC y la segunda a unos 5 ºC. La central oceánica constituye una máquina de Rankine, donde el agua de mar superficial constituye la fuente caliente y la profunda la fuente fría, entre las que trabaja un fluido específico que sigue el ciclo de Rankine. El rendimiento máximo entre estas dos fuente de temperatura, aplicando el teorema de Carnot, es de 8,25%. Aunque es un valor bajo, se puede bombear un caudal muy elevado y en consecuencia es posible obtener una importante cantidad de energía.


ENERGÍA PRIMARIA Las energías primarias son las fuentes energéticas tal y como se obtienen de la naturaleza, ya sea directamente, como es el caso de las renovables, o después de un proceso de extracción, como es el caso del petróleo, carbón o gas natural. En algunos casos, las energías primarias no pueden utilizarse directamente como energía final, por lo que son necesarias algunas operaciones de transformación. Las energías secundarias o finales son aquellos productos energéticos que provienen de los centros de transformación, como: electricidad, queroseno, naftas, gas licuado del petróleo (GLP’s), gas de refinería, etc.

FLUJO DE ENERGÍA ENTRE LA ATMÓSFERA Y LA TIERRA Dejando al margen la energía nuclear, la causa directa de la energía de nuestro planeta es el Sol. La energía solar es la que mediante la fotosíntesis entra en la base del ecosistema, se almacena y fluye a lo largo de la cadena trófica e incluso a otros ecosistemas conexionados. Tal y como muestra la Figura 1.18, la radiación solar, estimada en 173·1015 W, se descompone en, aproximadamente,

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53·1015 W de energía reflejada al espacio (reflexión directa), lo que supone el 30,6% de la energía solar radiada, y la que alcanza la Tierra. De los 120.000 TW restantes, 80.000 TW (47%) llegan a la superficie en forma de radiación fotónica y 40.000 TW (23%) son absorbidos por la atmósfera y los mares, dando lugar, básicamente, a la evaporación. Otros 300 TW (<1%) de la potencia procedente de la radiación solar incide perpendicularmente, y permanentemente, en las zonas ecuatoriales que al calentarse mucho en comparación de los polos se crean corrientes convectivas de aire (energía eólica). A su vez, los vientos interactúan con los océanos y dan lugar al oleaje, las corrientes marinas, etc. Finalmente una pequeña parte de la radiación, del orden de 30 TW (0,02%), incidente que es aprovechada por la naturaleza para crear los ciclos de vida vegetal y animal, haciendo uso del proceso de la fotosíntesis. Sin embargo, de la energía que procede del Sol (173·1015 W), la útil sería aproximadamente el 70% (121 ·1015 W), que se puede repartir como muestra la Tabla 1.8.

Figura 1.18. Flujo de energía procedente del Sol.

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Tabla 1.8. Potencia útil que llega del sol. TW

Forma de energía

80.000

Radiación fotónica: directa y difusa.

40.000

Radiación absorbida por océanos y atmósfera: Evaporación

300

Calentamientos diferenciales: vientos, oleaje, corrientes marinas,..

30 120.330

Ciclos de vida: Fotosíntesis

Para dar una idea de esta cifra hay que recordar que la energía primaria que consume el mundo lo hace a razón de una potencia equivalente de 17 TW. En el caso de España, la energía primaria, en 2007, se puede cifrar en 1.600 TWh/año, eligiendo 5.000 h/año la cantidad anual de utilización, la potencia equivalente sería de 0,32 TW (del orden del 2% mundial). Naturalmente, de esta inmensa cantidad de energía que llega del sol solo una fracción de ella es, con la tecnología actual y por las zonas donde incide, aprovechable. La Tabla 1.9 muestra, a grandes números, una serie de factores que hay

Forma de aprovechamiento Calefacción Centrales termoeléctricas Centrales fotovoltaicas Centrales hidroeléctricas Centrales de corrientes Generadores eólicos Energía de las olas Energía de las corrientes Biomasa

que tener en cuenta para evaluar el potencial energético global. Aunque la valoración de las zonas de los continentes sea discutible, o los porcentajes de las transformaciones energéticas, las energías caloríficas son mayores pero las conversiones eléctricas son, en su mayoría, menores de la cifra señalada en la Tabla 1.9. En cualquier caso, lo importante es el porcentaje final. Con la tecnología disponible hoy en día (2009) se podría disponer en energías renovables de una potencia 27 veces superior a la usada en el mundo y basada, mayoritariamente, en combustibles fósiles.

Tabla 1.9. Potencia útil aprovechable que llega del Sol.

Energía útil captada por la Tierra Superficies continentales Potencia captada por la masa continental Zonas utiles continentales Potencia captada útil Eficiencia media transformaciones energéticas Potencia util disponible Potencia mundial (2007) Porcentaje aprovechado

120.330 25% 30.083 6% 1.805 25% 451 17 3,7%

TW TW TW TW TW

El consumo energético de la Unión Europea y de España a medio plazo

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TODOS LOS ANÁLISIS DE ESTUDIOS APUNTAN A UN NUEVO MODELO BASADO EN LAS EERR • La energía es el “combustible” de nuestra economía. De su racionalización depende el futuro de nuestro progreso y bienestar. • La Agencia Internacional de la Energía (AIE), en su informe WEO-2008 prevé que en 2030 el 75% de la demanda de energía primaria provenga de las ciudades. • El precio del barril en 2008 llegó a los 150 dólares. Aunque a finales de 2008 el precio descendió a una tercera parte. La evolución del precio es incierta, pero los expertos creen que los precios, después de una bajada durante 2009, irán al alza. • En la UE se prevén revisiones de incrementos de consumo del gas natural (si bien en 2009 también descenderá algo) y renovable, estancamiento del petróleo y carbón, y disminución de la nuclear. • A medio plazo, se prevé un crecimiento del sector del transporte, con lo que el precio del barril provocará una distorsión económica del mercado y del sector residencial. • A medio plazo, se espera un fuerte crecimiento de la demanda de la electricidad en la UE, que continuará, pasando de los 600 GWe instalados a 800 ó 900 en 2020, pero si este incremento debe lograrse a costa de combustibles fósiles el precio será muy elevado. • Con referencia a la estructura energética española a 2006, el consumo de energía primaria se distribuye de la siguiente manera: 49% de petróleo, 21% de gas, 13% de carbón, 11% de nuclear y 7% hidráulica y renovable, mientras que en el consumo final el petróleo está en un 58%, la electricidad en 20%, gas en el 16%, renovables en 4% y carbón en 2%. • Los costes de la generación nuclear tenderán a la estabilización, mientras que los combustibles fósiles irán al alza cuando se apliquen los factores de corrección ambientales. • El panorama de futuro en cuanto a dependencia energética es desolador. • Para 2030 el Gobierno prevé una importancia relevante de las energías renovables, que podría llegar a abastecer el 40% de la demanda eléctrica, un gran crecimiento del gas que podría incrementarse en un 120%, con mantenimiento de la nuclear y disminución del carbón. • Greenpeace defiende, para 2050, una generación de electricidad al 100% de renovables y, estos autores un 70% (que no incluye la hidráulica convencional). • Manteniendo el modelo energético actual, con estas previsiones de precios y consumos expuestos, los precios y la inflación se dispararán en la UE y, en particular, en España.

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• La AIE, en su informe WEO-2008, prevé que la energías renovables crezcan una media del 7,2% anual. También prevé que el encarecimiento de los combustibles fósiles y la maduración de las EE RR harán que estas sean, cada vez, más competitivas.

Introducción El nivel de industrialización que tiene lugar en la sociedad actual, cada vez más elevado y complejo, aunque localizado únicamente en unas zonas de la Tierra, entre las que se encuentra la UE, ha desembocado en la utilización de una gran cantidad de energía. Esta ha dado lugar a un desarrollo tecnológico y a la búsqueda y aplicación de nuevas energías que se añaden a las convencionales: las energías renovables o alternativas. Los recursos energéticos tienen una relación directa con la economía, el medio ambiente y el

bienestar social, por lo que toda sociedad que pretenda consolidarse en el panorama socioeconómico mundial debe garantizar un suministro eficaz de energía, así como la disposición de recursos con suficiente densidad energética para poder “mover” sus máquinas y motores. Buena prueba de ello fueron los acontecimientos políticos asociados al aumento del consumo del petróleo entre las décadas de 1930 y 1970.

Petróleo y modelo económico En los últimos sesenta años la población mundial se ha duplicado, al mismo tiempo que el PIB global se multiplicaba por siete y el consumo de petróleo por más de ocho. De todos es conocida la estrecha relación existente entre crecimiento económico y aumento del consumo de petróleo. Desde 1980, incrementar en un 1% el PIB mundial ha supuesto elevar en una media del 0,3% la demanda de petróleo. De esta relación, se desprende que la existencia de limitaciones en el suministro futuro de petróleo, podría cuestionar la vigencia del actual paradigma socioeconómico, basado en el dogma del crecimiento exponencial e ilimitado. Para satisfacer el crecimiento de la demanda y al mismo tiempo compensar el declive de los campos de petróleo en explotación, la industria petrolera deberá desarrollar, en los próximos veinte años, una nueva capacidad productiva equivalente a más de seis veces la existente hoy en día en Arabia Saudita. Existen dudas fundadas de que este objetivo resulte factible. La existencia de limitaciones en el suministro futuro de este hidrocarburo, supondría, automáticamente, la existencia de límites al crecimiento económico global, lo que cuestiona la vigencia del actual modelo de desarrollo.

El término petróleo está hoy en día cediendo protagonismo al de combustibles líquidos. En la actualidad el mundo no solo consume los productos petrolíferos derivados de crudos convencionales, que representan el 85% del total. También usa una gran cantidad de líquidos derivados del gas natural y, en menor proporción, otros combustibles no convencionales provenientes de crudos extrapesados y de arenas asfálticas. A estos hay que sumarles un pequeño porcentaje (todavía inferior al 2%) de biocombustibles. Los países ajenos a la OCDE, especialmente los de Asia y Oriente Medio, absorberán la totalidad del incremento de la demanda de petróleo previsto para las próximas dos décadas. El 97% de dicho incremento provendrá del sector del transporte. El futuro del suministro global de petróleo aparece plagado de desafíos e incertidumbres. No existe acuerdo sobre los recursos y reservas disponibles, ni sobre la fecha exacta de cuando se alcanzará el cenit de la producción de crudo convencional, aunque cada vez hay más consenso sobre que dicho cenit constituye un riesgo real que podría concretarse en el próximo decenio. El panorama es inquietante. Una vez superada la actual coyuntura de


crisis económica, el delicado equilibrio entre oferta y demanda, junto al creciente riesgo de interrupciones del suministro, podría acentuar la tendencia a la volatilidad en los mercados financieros, propiciar el juego geopolítico y exacerbar las tensiones entre los grandes consumidores. Asegurar tales suministros, cada vez más concentrados en Oriente Medio, requerirá enormes inversiones en exploración y producción, el acceso a áreas cada vez más remotas y la perforación a mayores profundidades. Todo ello nos acercará inexorablemente al fin de la era del petróleo abundante y barato, con la consiguiente repercusión negativa sobre el actual modelo económico. Una nueva situación que requerirá una reestructuración en profundidad del sistema energético global y muy particularmente del sector del transporte. La búsqueda de fuentes energéticas alternativas al petróleo es uno de los grandes retos que la humanidad tiene hoy en día planteados.

APLICACIONES DEL PETRÓLEO Según la OPEC de un barril de petróleo, aproximadamente, el 10% se destina a la obtención de determinados compuestos que son la base de diversas cadenas productivas que acaban en la manufactura de más de 3.000 productos de uso cotidiano, denominados petroquímicos, entre los que se encuentran los plásticos, las fibras sintéticas, los cauchos sintéticos, los detergentes, los abonos nitrogenados y los medicamentos. Realmente, la vida moderna resultaría prácticamente imposible sin estos productos y, asimismo, la alimentación y la salud de los habitantes del planeta se verían seriamente comprometidas.

RESERVAS DE PETRÓLEO La mayoría de los expertos concluye que las reservas probadas de petróleo convencional en todo el mundo se aproxima a los 1,3 billones de barriles. Sobre la base de los niveles actuales de producción, la petrolera BP estima que la relación, a escala mundial, entre reservas probadas y producción (R/P), se sitúa en torno a los 40 años y que esta relación ha cambiado poco en los últimos años. Conviene diferenciar claramente los términos reservas y recursos, y cuando se habla de las primeras, aclarar si se trata de probadas, probables, o

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posibles. También es importante subrayar que las estimaciones de reservas para cada una de las categorías cambian con el tiempo y que un tipo de reservas puede convertirse en otro a medida que evolucionan la tecnología disponible, el conocimiento geológico, la situación política, así como los costes de extracción, precios de venta y comerciabilidad del petróleo. Una gran parte de los recursos de petróleo que el mundo podrá utilizar en el futuro se clasifican como no convencionales. Estos incluyen las arenas petrolíferas o arenas asfálticas (“oil sands” o “tar sands”), los petróleos extra-pesados, los esquistos bituminosos (“oil shales”), y los combustibles sintéticos derivados de la conversión gas a líquidos (“gas-toliquids” o GTL) y de carbón a líquidos (“coal-toliquids” o CTL). Por lo que hace referencia a estos petróleos no convencionales, la mayoría de autores se inclinan por una cifra situada entre los 2 y 3 billones de barriles, observándose una cierta tendencia al alza en el transcurso del tiempo. Según la Agencia Internacional de la Energía, a largo plazo, la base potencial de recursos totales de petróleo se aproxima a los 6,5 billones de barriles y si a esta cifra se le añade el posible potencial de producción de líquidos a partir de las tecnologías GTL y CTL la cifra final se acerca a los 9 billones de barriles. De ese total, casi 1,1 billones ya han sido extraídos, a un coste máximo por barril de 30 dólares (del año 2008). El coste en dólares para encontrar y producir un barril –definido como el cociente entre los gastos de exploración y desarrollo y las reservas añadidas ha aumentado en todas las regiones. Según datos oficiales de la administración de los EE UU., entre 2005 y 2006 estos costes experimentaron un brusco incremento de casi el 50%.

RECURSOS POTENCIALES DE PETRÓLEO Según el profesor de recursos minerales y energéticos de la Universidad de Barcelona, Mariano Marzo, los recursos potenciales económicamente recuperables se desglosan del siguiente modo: – Recursos convencionales: ascienden a alrededor de 2,1 billones de barriles, más de la mitad de los cuales se localizan en Oriente Medio y el Norte de África. El coste de explotación de estos recursos convencionales

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(excluyendo impuestos y regalías) oscila entre 10 y 40 dólares por barril, con algunas excepciones. Recursos convencionales adicionales mediante técnicas de mejora de la recuperación (EOR): estos han sido subdivididos según se utilicen técnicas EOR por inyección de CO2 u otras tecnologías. El coste del EOR oscila entre algo más de 30 a unos 80 dólares por barril. El potencial global de las técnicas de recuperación asistida del petróleo se estima entre 400.000 y 500.000 millones de barriles. Recursos convencionales de aguas profundas y ultra profundas: puede suministrar más de 160.000 millones de barriles a un coste de entre algo más de 35 hasta 65 dólares por barril. Recursos convencionales del Ártico: podrían ascender a 90.000 millones de barriles a un coste de entre cerca de 40 a 100 dólares por barril. Recursos no convencionales de petróleo extra-pesado y arenas bituminosas: ascienden a más de 1 billón de barriles y podrían extraerse a un coste que va desde 40 a, aproximadamente, 70 dólares por barril. Recursos no convencionales de esquistos bituminosos: sus costes de producción se estiman entre 50 a más de 100 dólares por barril. Debido a la falta de grandes proyectos comerciales las perspectivas de mejora de la tecnología de producción son muy inciertas. En consecuencia, no se espera que este tipo de recursos contribuyan de forma significativa al abastecimiento mundial de petróleo antes de 2030. Recursos de GTL y CTL: tienen un gran potencial pero su desarrollo se verá frenado por el uso de las materias primas necesarias (gas natural y carbón) para otras aplicaciones potenciales, sobre todo para la generación de electricidad y usos finales. A los precios actuales del gas natural y del carbón, los costes oscilan entre 40 a cerca de 120 dólares por barril de líquido producido.

Cuantificar de manera precisa los recursos y reservas de petróleo convencional y no convencional

existentes en el subsuelo resulta una tarea muy ardua. Ello obedece a la opacidad con la que algunos gobiernos tratan el tema de sus recursos y reservas, los criterios dispares existentes a la hora de evaluar y cuantificar estos, así como a las incertidumbres inherentes a cualquier análisis del subsuelo y a las previsiones de futuro en materia de economía, desarrollo tecnológico y políticas gubernamentales. Las petroleras internacionales de capital privado son objeto de auditorias externas públicas, pero la mayoría de las petroleras estatales no están sometidas a ningún tipo de control. Este último hecho resulta especialmente grave porque el 88% de las reservas probadas de petróleo del mundo pertenecen a compañías controladas por los gobiernos, con cerca de tres cuartas partes de dichas reservas pertenecientes a países integrados en la OPEP. Las estimaciones de reservas probadas, de uso generalizado en los análisis económicos y financieros, dan una idea de cuánto petróleo podría extraerse a corto y medio plazo. Sin embargo, el volumen total de petróleo que a más largo plazo podrá ser extraído de manera comercialmente rentable requiere calcular los recursos finalmente recuperables.

INVERSIONES PARA MANTENER LA PRODUCCIÓN El Escenario de Referencia de la Agencia Internacional de la Energía (AIE, 2009e) calcula que cubrir la demanda mundial de petróleo prevista entre 2007 y 2030 requiere una inversión acumulada cercana a los 5,9 billones de dólares (del 2008). De esta cantidad, aproximadamente el 80% correspondería a actividades de exploración y producción, el 16% al sector del refino y el 4% al del transporte. Estas inversiones deben destinarse tanto a expandir la capacidad de suministro para adecuarla a la creciente demanda, como a reemplazar las instalaciones existentes y futuras cuya vida útil caduque entre 2007 y 2030. Según la AIE (2008a), más de la mitad de la inversión total en exploración y producción deberá destinarse a mantener la producción de los campos de petróleo y gas actualmente en explotación. El porcentaje de la inversión dedicado a la exploración sería relativamente pequeño comparado con el asignado al desarrollo de campos actualmente en producción y


de otros nuevos. El aumento de la demanda y los altos precios previstos, sugieren un elevado gasto en concepto de compras de petróleo, tanto para los países industrializados de la OCDE, como para los que no pertenecen a esta organización. Expresado en términos de porcentaje sobre el PIB mundial, dicho gasto ha aumentado de poco más del 1% en 1999, al 4% en 2007: Las expectativas son que dicho porcentaje se estabilice en torno al 5% durante las próximas dos décadas.

PROPIEDAD DEL PETRÓLEO Las petroleras estatales aportan en la actualidad el 52% de la producción mundial de petróleo y gas, las grandes compañías internacionales o “supermajors” (ExxonMobil, Shell, BP, Total y Chevron) el 12%, y otras empresas internacionales de capital privado, integradas o exclusivamente dedicadas a la exploración y producción, el 36% restante. Por lo que se refiere a las reservas de petróleo y gas, la cuota del total mundial en manos de compañías estatales llega al 72%. Las cinco grandes compañías internacionales tan solo controlan el 3% de las reservas de petróleo y gas del mundo, aunque su producción representa el 12% del suministro mundial.

CUANDO SOBREVENDRÁ EL “PEAK-OIL” La visión de la industria petrolera sobre la cuestión del cenit global de la producción de petróleo es dispar. Así algunas compañías, como ExxonMobil y BP, se sitúan en línea con las previsiones optimistas y sostienen que entre 2015 y 2020 la producción mundial de petróleo convencional y no convencional, condensados y líquidos del gas natural, alcanzará su cenit en torno a los 95 millones de barriles diarios, para luego situarse en una meseta ligeramente descendente que se prolonga hasta 2030. Es preciso valorar una serie de riesgos de diversa índole. Algunos de ellos son de naturaleza esencialmente técnica. Entre estos cabe citar: a) Desde la década de los ochenta los nuevos descubrimientos no reponen el petróleo extraído b) Los costes de exploración y producción es-

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tán aumentando como consecuencia de que cada vez se trabaja en regiones más remotas, en ambientes más extremos y se perfora a mayor profundidad, lo que conlleva un creciente desafío tecnológico. c) La producción mundial de petróleo convencional en los campos actualmente en explotación esta experimentando un declive promedio del 6,7% anual y este podría alcanzar el 10% si se descuidan las inversiones y no se introducen mejoras técnicas. d) La industria del petróleo esta experimentando una alarmante escasez de personal, muy especialmente de científicos y técnicos altamente cualificados. e) La relación entre la energía obtenida mediante la extracción de petróleo y la energía consumida por este mismo proceso (o EROEI) está declinando de forma muy rápida, lo que significa que cada nuevo barril de reservas añadido tiene un contenido energético neto inferior. Además de los riesgos técnicos comentados cabe considerar otros con un claro matiz geopolítico: a) La producción de petróleo en treinta de los cincuenta y cuatro estados productores ha sobrepasado ya su cenit, mientras que en otros diez se observa una tendencia al estancamiento, lo que significa que en el futuro el suministro de petróleo dependerá básicamente de catorce países, muchos de ellos integrados en la OPEP. b) La producción de petróleo convencional ajena a la OPEP ya ha superado el cenit y ha entrado en declive. c) el mundo será cada vez más dependiente de las exportaciones de la OPEP. Este último punto implica la consolidación de un mercado monopolista, no competitivo, y un peligro cierto para la existencia de un “libre mercado” del petróleo. Otros tipos de riesgos geopolíticos que pueden poner en peligro la seguridad del suministro, causando interrupciones temporales del suministro, son los derivados de disputas entre países productores y de tránsito, así como los causados por

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conflictos o atentados terroristas que bloqueen las rutas comerciales a los mercados o dañen las infraestructuras de transporte. A corto plazo, el balance global entre la oferta y la demanda de petróleo puede calcularse sin demasiadas dificultades. La principal fuente de incertidumbre es la posible incidencia de ciertos imprevistos como los retrasos en la inauguración de los proyectos de producción, así como la cancelación o aplazamiento indefinido de algunos de ellos. Como resultado de una inversión insuficiente, diversas fuentes han señalado la existencia de un riesgo potencial de que la oferta no llegue a satisfacer la demanda en algún momento del periodo 2011-2015. En la actual coyuntura de crisis, dicho peligro se ha visto postergado en el tiempo por la caída de la demanda, pero en los próximos años, el desplome de las inversiones que ha acompañado a la caída citada puede provocar un agravamiento del riesgo, especialmente si la salida de la crisis se tradujera en una rápida recuperación de la demanda. Existen numerosas proyecciones sobre el futu-

ro del suministro global de petróleo en el horizonte del 2030. Todas ellas son el resultado de diferentes modelos, basados en aproximaciones metodológicas y datos de partida diversos. En general, tales proyecciones muestran una marcada dicotomía. Por un lado existen aquellas que no ven dificultades insuperables en el horizonte del 2030. Por otro, existen pronósticos más pesimistas que advierten que el mundo está alcanzando ya el cenit de la producción de petróleo convencional (“peak oil”), o lo hará en las próximas dos décadas, por lo que resulta urgente reducir la demanda y propiciar un desarrollo rápido de substitutos Un análisis comparativo de catorce pronósticos contemporáneos elaborados entre 2006 y 2008, concluye que, a pesar de la existencia de múltiples incertidumbres, es probable que el cenit de la producción de petróleo convencional tenga lugar antes de 2030 y que existe un riesgo significativo de que dicho momento se concrete en la próxima década. Frente a este riesgo, resulta verdaderamente preocupante constatar como la mayoría de países no esta considerando seriamente aplicar políticas

El precio del petróleo En el año 1973, el embargo petrolero de los países árabes desembocó en la primera crisis del petróleo; se cuadruplicó su precio y se desencadenó un impacto negativo sobre la economía mundial que repercutió directamente sobre las industrias aumentando el nivel de desempleo a escala mundial. Ello fue determinante para situar definitivamente al petróleo como elemento clave en el ámbito socioeconómico global. Tras un periodo de recuperación, en el que la mayoría de países parecía que se adaptaba a la nueva situación mundial, la revolución iraní y el aumento del precio del crudo en el año 1981 hasta 34 dólares/barril, originó una tasa de desempleo del 10% en los países de la OCDE. Esta situación desfavorable provocó que los países importadores de petróleo crearan un sistema de protección frente a la OPEP (Organización de Países Exportadores de Petróleo) y que, entre otras medidas, se apostase por el desarrollo de las energías renovables.

Esta primera crisis del petróleo tuvo consecuencias relacionadas directamente con la generación de energía. Por ejemplo, se incrementó el empleo de lignito y carbón en las centrales térmicas, y se construyeron centrales nucleares como alternativa al uso del petróleo. Se creó la AIE (Agencia Internacional de la Energía), con el objetivo de evitar las situaciones relacionadas con la primera crisis petrolera, y se incrementó la explotación petrolífera del Mar del Norte. Todo ello tenía un objetivo claro: evitar la dependencia energética, y por tanto económica, de la OPEP. La Primera Guerra del Golfo (1991) volvió a incrementar el precio del barril en 18 dólares, pero los mecanismos de defensa creados por los países de la OCDE evitaron una situación de crisis como la de 1973. Inexplicablemente, en 1998, un aumento en la producción del crudo, junto con la disminución del número de países compradores, obligó a la OPEP a situar el precio del petróleo por debajo de los 10 dólares por barril. A partir de


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Figura 2.1. Evolución del precio del barril del petróleo desde 1960 hasta 2007.

entonces, una disminución drástica en la producción de petróleo aumentó el precio del barril hasta mantenerlo entre 22 y 28 dólares. Durante 2005, 2006 y sobre todo en 2007 y 2008 ha habido grandes subidas y oscilaciones en el precio, superando la barrera de los 100 dólares, y llegando a los 150 dólares en ocasiones, lo que parecía un techo inalcanzable hace solo unos pocos años. A finales de 2008 se ha vuelto a valores que no se veían desde 2004, resultado de las anteriores especulaciones, de la fuerte crisis y el desajuste de la oferta y la demanda. Sin embargo inexorablemente volverá a subir. En la Figura 2.1 se muestra la evolución del precio medio anual del barril de petróleo desde 1970 hasta 2007 (el diagrama se indica en dólares constantes, sin tener en cuenta la inflación). Considerando la energía como el “combustible” de la economía, es lógico entender que el crecimiento de esta es el principal factor que favorece la demanda energética. El objetivo actual pasa por mantener economías que utilicen menos energía, mediante su diversificación y la aplicación del desarrollo sostenible. Todo indica que no se puede alcanzar un desarrollo sostenible a base de consumos masivos de combustibles fósiles como hasta

ahora. De ahí la importancia de las energías renovables. De los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) depende la mayor parte de la industria y el transporte en la actualidad. El carbón se ha formado a partir de restos vegetales terrestres, mientras que el petróleo y el gas natural lo han hecho a partir de organismos acuáticos. Todos ellos son producto de la acumulación de energía solar, ya que la fotosíntesis permite a las plantas aprovechar la radiación solar, y los animales se alimentan de estas plantas. Se ha convenido en aceptar que estos combustibles son fuentes de energía no renovables, en el sentido de que se agotan a un ritmo muy superior al que se han formado. Otra fuente no renovable es la energía nuclear, ya que los materiales fisionables, en particular el uranio, se encuentran de forma limitada. En este caso, sus impactos ambientales están relacionados con la emisión de residuos radiactivos. Por otra parte, las energías renovables no consumen recursos finitos y causan menos impactos medioambientales que los combustibles tradicionales. Entre ellas destacan: hidroeléctrica, solar, geotérmica, eólica, biomasa, etc.

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La demanda energética en la Unión Europea y su proyección La demanda de energía de la Unión Europea ha aumentado desde 1986 hasta 2006 a un ritmo del 1,3% anual (un 29% total). Como reflejo del paso de una economía industrial a una economía de servicios, la estabilidad del consumo industrial se ha visto contrarrestada con creces por el auge del consumo de los hogares y del sector terciario en electricidad, transporte y calefacción. La industria europea ha progresado en el campo del ahorro energético invirtiendo en modernización. Se ha esforzado por liberarse del petróleo (que representa el 16% del consumo energético total de la industria) y por diversificar el consumo a favor del gas natural y la electricidad. La intensidad energética del sector ha descendido un 23% entre 1985 y 1998. La estabilidad del consumo entre 1985 y 1998 se ha visto especialmente favorecida por la introducción de la cogeneración y de tecnologías más eficaces, pero también se ha incrementado notablemente el consumo energético en el sector transporte y residencial compensando, lamentablemente, con creces el incremento en eficiencia energética de la industria. Los hogares y el sector servicios representan el principal ámbito de consumo final de energía en términos absolutos. Hasta ahora, este sector había

registrado un crecimiento moderado, acompañado de un descenso de la intensidad energética, aunque parcialmente compensado por el progreso sistemático del confort. Esta tendencia induce en el mercado energético un aumento del consumo por habitante, especialmente de electricidad. El sector del transporte actualmente es un mercado cautivo del petróleo (el 98% del mercado del transporte depende del petróleo, lo que equivale al 67% de la demanda final de petróleo) y constituye, sin duda, la gran incógnita energética del futuro. Este sector ha registrado un importante crecimiento de la demanda energética: entre 1985 y 1998 la demanda se incrementó de 203 millones a 298 millones de tep, mientras que el número de vehículos, particulares y utilitarios, aumentó de 132 millones a 189 millones, con un auge paralelo del transporte aéreo. La intensidad energética del sector se incrementó en un 10% entre 1985 y 1998. Se estima que dicha intensidad seguirá creciendo en torno a un 2% anual durante el próximo decenio. En la Unión Europea se prevé que desde 2007 hasta el año 2010 se registrará un crecimiento del transporte de pasajeros del 19%, distribuido principalmente entre el coche (16%) y el avión (84%). El transporte de mercancías se incrementará en un

Figura 2.2. Evolución y estimación del consumo de energía para distintos sectores en millones de tep (reproducido de Annual Energy Outlook, 2006).


38%, crecimiento encabezado por el transporte por carretera (50%) y por vía marítima (34%). Esta dependencia de los combustibles fósiles ha supuesto un incremento del consumo energético per cápita e intensidad energética más acusado en España que en la media de los países de la UE. La Figura 2.2 muestra la evolución prevista del consumo energético en la UE para las próximas décadas. En los últimos años, la demanda de electricidad ha aumentado con más rapidez que todas las demás formas de energía. Hasta el año 2020, dicho crecimiento se desarrollará, en la UE, a un ritmo sostenido y similar al del PIB. Por ello, se estima que en el año 2020 las capacidades instaladas en la Unión Europea alcanzarán entre los 800 GWe y los 900 GWe, frente a los 600 GWe actuales. A falta de un avance tecnológico revolucionario, el excedente de demanda deberá cubrirse con los productos energéticos disponibles en el mercado: gas natural, carbón, petróleo, energía nuclear y energías renovables. La producción de electricidad actual se reparte entre la energía nuclear (35%), los combustibles sólidos (27%), el gas natural (16%), la energía hidráulica y otras (15%), y el petróleo (8%). El nuevo mercado energético se caracterizará por el predominio de las centrales de gas y el retroceso continuo de las

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centrales alimentadas con productos petrolíferos y combustibles sólidos. El crecimiento, a gran escala, de la energía nuclear parece, por el momento, improbable. Su contribución a largo plazo depende de la prosecución de la política de lucha contra el calentamiento del planeta, de su competitividad con respecto a las demás energías, de la aceptación pública de esta forma de energía y de una solución al problema de los residuos. La contribución de la energía nuclear en las circunstancias políticas actuales (decisiones de abandono del sector adoptadas por ciertos Estados miembros) se limitará probablemente de aquí al año 2020 a mantener el statu quo (a comienzos de 2009 diversos estados de la UE decidieron instalar centrales nucleares de nueva generación: Italia, Francia, Suecia, Reino Unido, etc.). A medio plazo, la posible caída en desuso de la energía nuclear podría traducirse, si no se producen nuevas inversiones, en una cuota de utilización más alta de las centrales térmicas. No obstante, estas previsiones podrían revisarse si evoluciona la tecnología de las centrales nucleares (es decir, se proyecten centrales nucleares de tercera y cuarta generación) y gracias a una contribución reforzada de las energías renovables y a la acción sobre la demanda. La Figura 2.3 muestra el mix de energía en algunos países de la UE.

Figura 2.3. Consumo de energía de diferentes países en función del recurso energético utilizado (reproducido de Annual Energy Outlook, 2006).

38


Proyección de la oferta energética en la Unión Europea El gráfico de la Figura 2.4 resume los principales rasgos de la oferta energética primaria en el horizonte del año 2030 para la Unión Europea. Los atributos principales de esta proyección son los siguientes: se estima un descenso relativo de la contribución de la energía nuclear, de un 15% en 1998 a un 8% en el año 2030; un incremento relativo de las contribuciones del gas natural y de las energías renovables, mientras que se espera un estancamiento de las contribuciones relativas del petróleo y el carbón. La oferta energética global en la Unión Europea se calcula que habrá disminuido en el año 2030 un 15-18% respecto a los valores actuales. A partir de los datos citados anteriormente, se puede constatar que tanto en el contexto europeo como en el español, la energía nuclear tiene un papel determinante en la producción de energía eléctrica, y que dicho papel, aunque decreciente, seguirá siendo importante en el futuro. Sin embargo, para poder mantener y mejorar su competitividad en el mercado energético, es necesario trabajar en los siguientes aspectos, que constituyen las principales limitaciones de la energía nuclear: – Coste: en mercados liberalizados, la energía nuclear es actualmente competitiva frente al gas y el carbón. Si se redujeran los costes

de capital, de operación y de mantenimiento, y los plazos de construcción, podrían aumentar más las diferencias. La imposición de tasas sobre emisiones de CO2 favorece la energía nuclear. – Seguridad: los diseños modernos pueden reducir los riesgos de accidentes graves, pero es esencial seguir investigando en nuevos avances que permitan mejorar la seguridad de los procesos de construcción, operación y gestión. – Residuos: la gestión y eliminación de los residuos de alta actividad es uno de los mayores problemas a los que se enfrenta la industria nuclear. Esto está directamente relacionado con la tecnología usada en la concepción de la central (no sucede así en las centrales de tercera y cuarta generación). – Proliferación militar: se considera que la energía nuclear no debería expandirse a menos que el riesgo de proliferación derivado del ciclo comercial del combustible pueda reducirse suficientemente. El objetivo debería ser minimizar los riesgos de proliferación conexos a la operativa del ciclo comercial del combustible nuclear. La única parte positiva son los esfuerzos llevados a cabo por las grandes potencias nucleares para la con-

Figura 2.4. Evolución y tendencia futura de producción de las energías primarias en millones de tep (reproducido de Annual Energy Outlook, 2006).


versión de los ingenios atómicos en combustible nuclear para ser consumidas en las centrales de fisión. – Percepción social: una parte importante de la población occidental sigue manteniendo una posición contraria a la energía nuclear,

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basada principalmente en el miedo a un accidente nuclear. El contraste entre las Figuras 2.3 y 2.4 pone de manifiesto la creciente dependencia energética de la Unión Europea de otros mercados, crecimiento que resulta mucho más acusado a partir de 2010.

Estructura energética en España Las Figuras 2.5 y 2.6 presentan la evolución de la energía primaria y final consumida en España, entre 1973 y 2006. De estas figuras se puede destacar la importancia, en valor absoluto, de los productos petrolíferos, tanto en energía primaria como final, y la relativa constancia del carbón en el mix de energía primaria en todo el periodo y su valor testimonial en energía final. Otros parámetros a resaltar son: – El constante crecimiento del gas natural en primaria y final. En 2008, la distribución de ventas de gas natural en España por sectores fue: 13,2% Sector doméstico/comercial, 43,9% industrial, 41,8% generación de electricidad y 1,1% usos no energéticos. – El despegue de la nuclear desde finales de los 90, seguido de su mantenimiento en valor absoluto.

– El moderado, pero constante, crecimiento del consumo de la electricidad. – La hidráulica, eólica, solar, y otras renovables han empezado a tener su importancia en estos últimos años llegando al 7% en el 2006. La información de las Figuras 2.5 y 2.6, y su interrelación en el año 2006, queda reflejada en la Figura 2.7. Se observan las pérdidas por autoconsumo o los limitados rendimientos de las instalaciones térmicas que convierten el calor en trabajo, según se comentó en el Capítulo 1. La energía primaria en España es, mayoritariamente (93%, en 2006), a base de combustibles fósiles. Igualmente acontece con la energía final, donde la incidencia de los combustibles fósiles también es mayoritaria.

Figura 2.5. Evolución del consumo de energía primaria en España de 1973 a 2006. (Fuente: SG Energía; datos Ktep 2006). Dentro del carbón se incluye RSU y otros combustibles sólidos consumidos en generación eléctrica.

40


Figura 2.6. Evolución del consumo de energía final en España de 1973 a 2006. (Fuente: SG Energía; datos Ktep 2006).

Según la información facilitada por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio en marzo de 2007, la Figura 2.7 esquematiza la estructura energética española. Se detallan, de 2006, los consumos de energía primaria: el petróleo con el 49%, el gas con el 21%, el carbón con el 13%, la nuclear con el 11% y las renovables con el 7%. También su utilización en el sector eléctrico y del petróleo, y los vectores energéticos de consumo de energía final.

Estos con el petróleo al 58%, electricidad al 20,3%, gas al 16%, renovables al 3,8% y carbón al 2,1% Según el Ministerio de Industria, los objetivos de la política energética de España son la competitividad, la sostenibilidad y la seguridad en el suministro. La competitividad se promocionará con un modelo liberalizado del mercado interior de la energía y la innovación en tecnologías eficientes (esto, al menos hasta 2009, no ha sido así debido, básicamente, a que

Figura 2.7. Estructura energética española. (Fuente: SG Energía; datos Ktep 2006).


no se han aplicado los costes reales de generación). La sostenibilidad se fundamentará con el fomento de energías renovables, el ahorro y eficiencia energética, y en la innovación en tecnologías limpias. La seguridad en el suministro se cimentará con una diversificación del consumo de la energía primaria, un diálogo internacional, en un sistema de reservas de hidrocarburos y margen de reserva de generación eléctrica y en el desarrollo de la red.

LAS POSIBILIDADES DE LAS EE RR EN EL ESTADO ESPAÑOL La Agencia Internacional de la Energía ha publicado en 2008 el World Energy Outlook (WEO), donde prevé las tendencias mundiales en energía y sirve de referencia mundial. Los puntos más destacados son: – Habiendo rebajado la demanda mundial de energía primaria hasta 2030, del 55% al 45% (se espera un incremento anual del 1,6%), el mundo necesitará una inversión acumulada de 20 billones de euros. – En cifras absolutas, la demanda de energía primaria pasará de 11.730 millones de tep a 17.010 en 2030 (45% de aumento), donde los combustibles fósiles van a constituir el 80% de la energía primaria. – La demanda de carbón aumentará más que ninguna otra fuente de energía primaria, llegando al 29% de la demanda de primaria en 2030, en lugar del 26% actual. Es decir, un aumento promedio del 2%. Aproximadamente el 85% de esta cifra se estima que procederá de la generación de electricidad en China e India. – La energía que se consume en las ciudades llegará al 75% (12.757 Mtep). – La demanda primaria de petróleo, sin considerar los biocombustibles, aumentará en promedio un 1% anual, al pasar de 85 millones de barriles diarios en 2007 a 106 millones en 2030. – El gas natural aumentará la demanda en un 1,8% anual, alcanzando el 22% de la demanda de energía primaria. – A resultas del incremento de los precios de los combustibles fósiles y la reducción de

41

los costes de generación de electricidad a partir de EE RR como consecuencia de la maduración de las energías renovables, estas podrán prescindir de las subvenciones y crecer un promedio del 7,2%. Una encuesta a casi 4.500 establecimientos, distribuidos por todo el territorio español, efectuada en julio de 2006 por las Cámaras de Comercio, reflejaba que las empresas veían con preocupación la evolución de los precios de la energía y consideraban que la Administración Pública debería incentivar un uso más eficiente de la energía, el estado de las redes de distribución y la competencia en el sector energético. En esta línea, una de cada tres empresas solicitaban el potenciar el uso de energía nuclear, y muchas estaban dispuestas a invertir en ahorro energético y a autogenerar. Siete de cada diez empresas españolas afirmaban tener algún problema relacionado con la energía. La mayor preocupación era la relativa a los precios y a su incremento. El segundo problema era la falta de competencia dentro del sector energético, factor que influye decisivamente en el precio. A estos le seguían los problemas de las interrupciones en el suministro y los problemas en el momento de cambiar de suministrador. Intentan dar respuesta a estos problemas el Libro Blanco de la Generación Eléctrica en España, presentado en el verano de 2005, la prospectiva que da el Gobierno en otoño de 2006, y el informe de Greenpeace de 2007. El Libro Blanco de la Generación Eléctrica en España corresponde a un desarrollo de propuestas de la regulación del sector eléctrico en España. Algunas de ellas hacen referencia a las mejoras en las reglas del mercado mayorista, a las directrices para la evolución hacia un modelo energético sostenible y al cálculo de la tarifa eléctrica como consecuencia de los costes acreditados de las actividades reguladas. Busca que se elimine la regulación que interfiere con el libre funcionamiento del mercado y en particular el mecanismo de “compensación por diferencias de los costes de transición a la competencia” y así mitigar la capacidad de los agentes dominantes para modificar el funcionamiento del mercado en su beneficio. En suma, favorecer la demanda en el mercado y reducir barreras en la ac-

42


tividad de comercialización, mejoras en el servicio de garantía de potencia, y señales de localización de la red de transporte. El estudio de prospectiva energética para 2030 que anunció el Gobierno en otoño de 2006, que sin menoscabo de la libertad de actuación de los agentes de los mercados de energía, realizó una verdadera planificación energética indicativa a largo plazo para orientar estratégicamente las inversiones en infraestructuras del sector con criterios de sostenibilidad, cambio climático, equidad en el acceso universal a la energía, seguridad del suministro energético y competitividad de la economía. El Gobierno indicaba que las energías renovables podrían abastecer el 40% de la demanda eléctrica en 2030. Aunque solo son previsiones, marcan tendencias. El Ministerio de Industria prevé que las renovables alcancen una potencia de 83.330 MW en 2030, frente a los 32.512 de 2007. La energía eólica llegaría a los 40.000 MW (a finales de 2008, 16.000 MW), la fotovoltaica a los 6.500 MW (3.000 MW en 2009), la biomasa a 3.700 MW (actual 372 MW), la hidráulica a 19.600 MW frente a la actual de 16.600 MW, y

la cogeneración pasaría de los 5.983 MW a 9.500 MW. Mientras que las fuentes convencionales, el gas natural, pasaría de 18.584 MW a los 41.650 MW. Las centrales nucleares mantendrían la potencia instalada, 7.716 MW, y el carbón disminuiría de los 11.934 MW a 8.000 MW. La organización ecologista Greenpace considera viable económica y tecnológicamente que el 100% de la demanda eléctrica de la España peninsular sea cubierta por energías renovables en el año 2050. Aunque el coste económico variaría mucho dependiendo de las soluciones elegidas, el costo sería en torno a 120.000 millones de euros en unos 25 años. Este estudio, por ejemplo, propone la generación en Galicia de 4.108 MW con energía eólica marina, 4.848 MW con las olas, 102 MW con geotérmica, 495 MW con biomasa y 1.884 MW con eólica. En Andalucía 17.204 MW con termosolar, 8.565 con eólica, 1.720 con fotovoltaica, 663 MW con biomasa, 93 MW con geotérmica, etc. Estos autores postulan, para 2040, cubrir el 70% de la generación de electricidad con EE RR, valor que no incluye la hidráulica convencional (instalaciones de más de 10 MW).

La evolución de la potencia eléctrica instalada en España

Figura 2.8. Evolución anual de la potencia instalada (MW) por tecnologías.


43

La evolución de las potencias eléctricas instaladas en España en los últimos años, como refleja la Figura 2.8, muestra un constante aumento. La Figura 2.8 pone claramente de manifiesto que:

– A partir de 2005 el incremento de la potencia se ha llevado a cabo por medio del gas natural con los ciclos combinados. – En potencia instalada, la eólica ocupa el segundo lugar a partir de 2007.

– La potencia hidráulica y nuclear permanecen constantes.

La Figura 2.9 muestra la generación, en GWh, anual por tecnologías.

Figura 2.9. Generación anual de energía eléctrica (GWh) por tecnologías.

Uno de los factores de desajuste entre la potencia instalada y la energía eléctrica generada corresponde a la irregularidad en la producción de las EE RR. Por ello, a la hora de implantar un modelo

basado en las EE RR debe pasarse a un sistema de energía distribuida y un cambio en la gestión de la demanda.

Producción y abastecimiento de combustible en España

3

LA SEGURIDAD EN EL SUMINISTRO Y LOS ALMACENAMIENTOS DE SEGURIDAD SON CRÍTICOS EN EL MODELO ENERGÉTICO ACTUAL • El autoabastecimiento de energía primaria de España es aproximadamente del 20%. En esta cifra está incluida la energía hidráulica. El autoabastecimiento en carbón es del 30% y un testimonial valor del 0,2 % (2006) en gas y petróleo que va disminuyendo año tras año. • La importación de crudo de petróleo es la partida dominante en el comercio exterior energético español, con un crecimiento moderado del 0,9% anual. Representa casi el 50% de la energía primaria, por lo que constituye el componente más importante y estratégico del sistema energético español. Por eso hay una importante diversificación de su procedencia por países y zonas, principalmente de Rusia, México, Arabia Saudita, Nigeria, entre otros. • La situación es muy distinta en el gas natural, que tiene una tasa de crecimiento promedio anual de 11% en los últimos años. El gas, con su crecimiento, alcanza ya la cota del 21% de la energía primaria (2006). Además, un tercio de la importación recae en Argelia, si bien hace pocos años alcanzaba los dos tercios. Últimamente se han realizado importaciones de Nigeria, Qatar, Egipto, Trinidad y Tobago, etc., que ayudan a diversificar también por zonas geográficas. • Respecto al carbón, la importación de carbón sumó 23,705 Mt, un 3,8% menos que en 2005, que representa dos terceras partes del carbón necesario como energía primaria, que a su vez constituye el 13% de la energía primaria. Los países proveedores son los mayores productores: Australia, Rusia, Sudáfrica (13,1%), Indonesia (12,4%), EE UU (25,5%), etc. • Las reservas de carbón españolas son limitadas y de mala calidad. Su extracción es cara y la mayoría se importa lo que crea un conflicto social en la minería energética española. • Los stocks de los productos petrolíferos y gas están regulados por ley, en mínimos de 90 días de consumo o ventas para los primeros y en 20 días para los segundos. La Corporación de Reservas Estratégicas de Productos Petrolíferos (Cores) vela por la seguridad y continuidad del abastecimiento de hidrocarburos. • Es preciso homologar las normativas y disposiciones referentes a la regasificación, transporte, almacenamiento, etc., de hidrocarburos, en particular el gas natural en el seno de la UE. • La relación almacenamiento/capacidad de las reservas estratégicas (GWh/día) varía mucho de un país a otro. En Alemania es de 5.412, Italia 3.173 y en España de solo 146.

46


Introducción De la estructura energética de España de las Figuras 2.5 y 2.7 se veía la gran importancia de los productos petrolíferos y del gas natural, al que le seguía a una gran distancia el carbón, para las

necesidades de energía primaria. En los próximos apartados se analiza como se abastece España de estos combustibles fósiles y cuál es la importancia de los productos extraídos en suelo español.

Combustibles fósiles y autoabastecimiento de energía en España En la Tabla 3.1 se indican los yacimientos de petróleo en España y la extracción realizada entre 1963 y 2006. Actualmente existen cuatro yacimientos que aportan una parte mínima del consumo

nacional. Los datos de producción han ido decreciendo estos últimos años, y son insignificantes, si los comparamos con el volumen importador que necesita el país anualmente.

Años

Dorada

Casablanca

Tarraco

Lora (Ayoluengo)

San Carlos I y II

Salmonete y Angula

Gaviota I y II

Albatros

Rodaballo

CasablancaMontanazo D

Angula-Casablanca

TOTAL

Tabla 3.1. Producción de petróleo (en toneladas) en España entre 1963 y 2006. (Fuente: Enciclopedia Oilgas)

19631975

-

-

-

1.198.119

4.511.417

-

-

-

-

-

-

5.709.536

1976

-

-

-

67.328

1.708.635

-

-

-

-

-

-

1.775.963 984.286

1977

-

112.941

119.629

64.855

686.861

-

-

-

-

-

-

1978

163.876

104.638

267.463

61.198

382.670

-

-

-

-

-

-

979.845

1979

428.595

10.629

370.637

73.824

273.931

-

-

-

-

-

-

1.157.616

1980

267.501

670.927

302.242

60.001

291.642

-

-

-

-

-

-

1.592.313

1981

300.490

669.107

95.771

68.834

99.268

-

-

-

-

-

-

1.233.470

1982

423.963

901.894

47.949

76.038

81.335

-

-

-

-

-

-

1.531.179

1983

366.578

2.169.704

277.136

78.787

84.637

-

-

-

-

-

-

2.976.842

1984

201.630

1.623.560

295.273

80.556

44.170

70.308

-

-

-

-

-

2.315.497

1985

278.635

1.489.370

172.093

80.958

79.177

77.517

-

-

-

-

-

2.177.750

1986

151

1.595.806

21.889

89.159

79.849

53.934

17.556

-

-

-

-

1.858.344

1987

-

1.462.851

-

64.651

57.861

-

55.107

-

-

-

-

1.640.470

1988

-

1.312.725

-

52.930

40.016

-

76.919

-

-

-

-

1.482.621

1989

-

875.649

-

36.848

-

-

125.848

-

-

-

-

1.038.345

1990

-

674.004

-

28.529

-

-

92.941

-

-

-

-

795.474

1991

-

962.639

-

25.827

-

-

78.530

-

-

-

-

1.066.996

1992

-

993.206

-

19.729

-

-

58.603

-

-

-

-

1.071.538

1993

-

833.151

-

16.482

-

-

25.018

-

-

-

-

874.651

1994

-

785.659

-

15.746

-

-

5.344

-

-

-

-

806.749

1995

-

635.801

-

13.710

-

-

1.052

1.474

-

-

-

652.037

1996

-

405.945

-

14.993

-

-

-

5.712

89.429

-

-

516.079

1997

-

-

-

12.086

-

-

-

778

116.879

181.716

65.797

377.256

1998

-

-

-

12.230

-

-

-

-

95.117

137.215

286.901

531.463

(Continúa)

47


Lora (Ayoluengo)

CasablancaMontanazo D

Angula-Casablanca

-

10.947

-

-

-

-

50.908

136.397

101.935

300.187

-

-

8.508

-

-

-

-

37.612

126.621

55.952

228.693

2001

-

-

-

7.676

-

-

-

-

165.868

119.544

44.475

337.563

2002

-

-

-

8.290

-

-

-

-

166.653

108.616

32.772

316.331

2003

-

-

-

7.297

-

-

-

-

63.159

229.734

20.365

320.555

2004

-

-

-

6.353

-

-

-

-

54.551

173.116

20.528

254.548

2005

-

-

-

5.699

-

-

-

-

33.970

100.204

26.141

166.014

2006

-

-

-

5.397

-

-

-

-

35.393

66.766

32.590

140.146

Salmonete y Angula

San Carlos I y II

Una situación parecida ocurre con el gas natural. Los yacimientos españoles se indican en la Tabla 3.2. Los más importantes son los de El Ruedo (Sevilla), Las Barreras (Sevilla), Marismas (Huelva y Sevilla) y Poseidón (frente a la costa de Cádiz), aunque es este último el que aporta más del 90% de la producción. En la citada tabla se observa cómo la producción ha ido disminuyendo, a valores casi despreciables y al igual que sucede con el petróleo. España depende de la importación para cubrir el consumo.

TOTAL

Tarraco

-

-

Rodaballo

Casablanca

-

2000

Albatros

Dorada

1999

Gaviota I y II

Años

(Continuación)

Respecto al carbón, de acuerdo con el balance de actividades de Carbunión de 2003, la cantidad de carbón nacional producido en 2003 fue un 1,6% inferior al año anterior, cuando de hecho el compromiso que la asociación había tomado con el Gobierno, para el cumplimiento del Plan de Minería del Carbón, estaba fijado en una reducción del 4%. Sin embargo, la producción de lignitos había aumentado. La Tabla 3.3 muestra la relación de la producción de productos energéticos en España entre 2001 y 2003.

Tabla 3.2. Producción de gas natural en España (en 103 Nm3) entre 1965 y 2006. (Fuente: Enciclopedia Oilgas). Años

Castillo Serrablo Gaviota I-II Marismas

Albatros

Poseidón

El Ruedo

-

-

-

-

-

-

1.534.649

1.258.758

56.114

-

-

-

-

-

1.314.872

1.218.786

108.867

-

-

-

-

-

1.327.653

-

1.074.751

145.381

-

-

-

-

-

1.220.132

-

-

509.648

123.540

-

-

-

-

-

633.188

-

-

120.853

75.442

-

-

-

-

-

196.295

1995

-

-

25.142

68.164

317.375

-

-

-

-

410.681

1996

-

-

-

51.346

407.383

-

-

-

-

458.729

1997

-

-

-

81.941

4.030

86.358

-

-

-

172.329

1998

-

-

-

68.989

-

40.147

-

-

-

109.136

1999

-

-

-

69.584

-

57.539

9.974

7.627

-

144.724

2000

-

-

-

63.975

-

89.859

6.595

14.107

-

174.536

2001

-

-

-

38.721

-

492.551

7.000

13.919

-

552.191

2002

-

-

-

24.290

-

503.713

6.197

11.303

12.112

557.615

2003

-

-

-

51.281

-

177.933

5.377

12.948

15.845

263.385

2004

-

-

-

19.795

-

316.477

5.452

6.321

16.819

364.863

2005

-

-

-

6.372

-

140.775

4.350

3.353

16.262

171.113

2006

-

-

-

-

-

44.341

4.028

3.503

16.773

68.645

19651989

-

-

-

1990

-

-

1991

-

-

1992

-

1993 1994

Las Barreras El Romeral

TOTAL

48


Tabla 3.3. Producción de productos energéticos en España. Unidad

2001

2002

2003

Antracita y hulla

Kt

10.492

9.751

9.580

Lignito negro

Kt

3.456

3.558

3.520

Lignito pardo

Kt

8.787

8.726

8.100

Petróleo

kt

388

316

320

hm3

552

558

263

t (U3O8)

42

54

Gas natural Uranio

Figura 3.1. Producción en España de carbón en el año 2005.

En la Figura 3.1 se detalla la producción de carbón en España en 2005 por zonas y tipos. En la Tabla 3.4. se indica la producción española de energía primaria entre 2002 y 2006 a partir de los distintos productos energéticos obtenidos en España. Estos representan, en la producción de energía alrededor del 7%, en una evolución relativamente constante en los últimos años. Comparando la Tabla 3.4. con la Figura 2.5 se puede confeccionar parte de la Tabla 3.5, que

muestra el grado de autoabastecimiento en España entre 2002 y 2006 en valor absoluto y en %. En esta tabla también se ha incluido el grado de autoabastecimiento del carbón, petróleo y gas natural, pero no se ha indicado el correspondiente a la energía hidráulica y la nuclear, pues en estos dos casos es del 100%. De la anterior tabla se infiere que la única fuente de energía fósil nacional, y aún de mala calidad, es el carbón. Existen cinco zonas geográficas bien

Tabla 3.4. Producción española de energía primaria. PRODUCCIÓN INTERIOR DE ENERGÍA PRIMARIA (Ktep) AÑO

Gas natural

Hidráulica

Nuclear

Resto

TOTAL

2.002

7.685

315

467

1.988

16.422

1.579

28.456

-5,4

2.003

7.144

322

197

3.533

16.125

2.012

29.333

3,1

2.004

6.922

255

310

2.726

16.576

2.674

29.463

0,4

2.005

6.626

166

144

1.682

14.995

3.373

26.986

-8,4

2.006

6.242

140

55

2.199

15.669

3.524

27.829

3,1

Boletín Ministerio Industria Energía y Turismo de España 2008.

49

Producción y abastecimiento de combustible en España Tabla 3.5. Grado de autoabastecimiento de energía primaria (%). GRADO DE AUTOABASTECIMIENTO DE ENERGÍA PRIMARIA (%) Año

Energía Primaria

Autoabastecimiento

Consumida

Autoabastecida

Carbón

Petróleo

Gas natural

TOTAL*

(ktep)

(ktep)

(%)

(%)

(%)

(%)

2.002

128.745

28.456

35,1

0,5

2,5

22,2

2.003

132.523

29.333

35,4

0,5

0,9

22,1

2.004

138.366

29.463

33,1

0,4

1,3

21,3

2.005

142.029

26.986

31,3

0,2

0,5

19,0

2.006

140.756

27.829

33,8

0,2

0,2

19,8

* Incluida la nuclear, la hidráulica y resto de renovables.

diferenciadas en las que se encuentran localizadas los diferentes tipos de carbón. La hulla y la antracita se encuentran en Andalucía, Asturias y Castilla y León, lignito negro en Aragón-Cataluña y el lignito pardo en Galicia. En marzo de 2006, se firmó el Plan Nacional de Reserva Estratégica de Carbón 2006-2012 y el Nuevo Modelo de Desarrollo Integral y Sostenible de las Comarcas Mineras, un plan, que tiene como objetivo la ordenación de la minería del carbón, manteniendo una producción autóctona que garantice el acceso a reservas, así como modular el empleo dentro del sector, organizar las ayudas al funcionamiento y promover la reactivación de las comarcas mineras de diversas formas, (mejora en infraestructuras, apoyo a proyectos de generación de empleo, formación, etc.), todo esto sin olvidar el reconocimiento como recurso estratégico, y la necesidad por tanto de apoyo estatal. Este plan prevé, en 2007, que las unidades de producción que no cumplan una serie de requisitos de costes cerrarán para que a partir de 2008 permanezca la minería como acceso a reservas. Con este primer corte, se prevé en total, una disminución de 1,6 millones de toneladas. Posteriormente la reducción hasta el 2012 será paulatina, con una producción en ese año de 9.2 millones de toneladas. La generación de electricidad con centrales térmicas que consumen carbón ha ido cayendo desde un 51,6% en 1998, con un grado de abastecimiento de hasta el 33,8% en 2006. El porcentaje de la generación eléctrica con carbón autóctono se mantiene prácticamente entre el 7% y el 8% del total del consumo de energía primaria (en 2006 es el 33,8% del 19,8 % total de autoabaste-

cimiento, Tabla 1.14), una cifra que en términos absolutos no aumenta, pero que supone un crecimiento relativo si se tiene en cuenta que la producción nacional de carbón desciende cada año y la demanda de electricidad aumenta fuertemente, como lo hizo en 2006 (3%), por tanto en estas circunstancias mantenerse entre estos valores es un indicativo de lo importante que es el carbón nacional. Además, en el último año el índice internacional de precio McCloskey, que sirve como referencia para muchos contratos de carbón nacional, experimentó una subida en 2006, alcanzando los casi 70 dólares/tonelada, lo que permite de una forma rentable continuar con bastantes explotaciones. Así, en 2006 se consumían en torno a los 36,2 millones de toneladas de carbón. En su mayor parte, el 94% de dicho consumo se destinó a la producción de energía eléctrica (este valor es el más alto de estos últimos años, pues en 2001 y 2005 se situó en un 88%, y de 2002 a 2004 en un 91%); el resto a la producción de coque y a usos industriales y domésticos. En promedio, del tonelaje total consumido, el 66% (23,7 Mt) fue carbón de importación. La producción propia (12,1 Mt) representó el 33,8% del consumo y se destinó, en su mayor parte, a la generación de energía eléctrica. También hay que indicar, casi anecdóticamente, que 0,210 Mt se destinaron a la exportación (que creció fuertemente, más del 263,9% en peso), aunque su escasa cuantía no permitió que dichos incrementos supusieran cifras significativas en comparación con la importación. BP Statistical Review of World Energy 2006 asigna a España unas reservas probadas a fin de 2005 de 200 Mt de hulla y antracita y 330 Mt de

50


hulla subbituminosa y lignito pardo. Sin embargo la última actualización del Inventario Nacional de Recursos de Carbón fue realizada por el Ministerio de Industria y Energía en 1992, basada en el inventario realizado por el IGME en 1985, estimándose los recursos totales en 3.463,4 Mtec, de los que 2.810,8 Mtec correspondían a hulla y antracita, 546,2 a las hullas subbituminosas (lignito negro) y 106,4 al lignito pardo. Al no haber sido objeto de revisión desde 1992, como mínimo habría que descontar de los recursos las cantidades extraídas en los últimos años. Respecto al carbón, las importaciones realizadas en 2006 consistieron en un 93,8% (en valor) de carbones y un 6,2% de destilados, principal-

mente alquitrán de hulla. Dentro de los carbones, el 15,3% del peso correspondieron a la hulla coquizable y el 84,7 al carbón térmico. En comparación con el año anterior, las compras exteriores de antracita se mantuvieron en tonelaje, mientras que las de hulla térmica descendieron un 5,4%, y las de hulla coquizable aumentaron un 1,4%. En conjunto, la importación de carbón sumó 23,705 Mt, un 3,8% menos que en 2005. La antracita procede básicamente de Australia (33,3%) y Rusia (32,2), y en menos cuantía de Sudáfrica (13,1%), Ucrania (11,9%) y Vietnam (4,9%). La hulla térmica de Sudáfrica (46%), Indonesia (12,4%) y Rusia (12%), mientras que la hulla coquizable procede básicamente de Australia (55,9%) y EE UU (25,5%).

Abastecimiento energético español de petróleo y gas El autoabastecimiento del carbón ha sido comentado en el apartado 4.2. El autoabastecimiento del petróleo y del gas natural extraído en el subsuelo nacional tienen un carácter testimonial comparado con el consumo global, además ha disminuido, siendo el porcentaje de 0,9% en 1998, y ha descendido hasta el 0,2 en 2006, según se indica en la Tabla 3.5. Algo parecido acontece con el gas natural que del 0,8% ha pasado al 0,2% en los mismos años. En conjunto se tiene un autoabastecimiento en torno al 20% en términos de energía primaria necesaria, incluida la hidráulica, eólica y otras renovables y la nuclear que, no siendo despreciable, si obliga a un importante control, diversificación y reservas en la compleja situación mundial. La importación de crudo de petróleo, partida dominante en el comercio exterior energético español, está reflejada en la Tabla 3.6. El crecimiento entre 2000 y 2006 ha sido del 6,65%, que podría catalogarse de moderado, y representa una tasa promedio del 0,91% anual. Por procedencias, en 2006, el primer suministrador fue Rusia, seguido de México, Arabia Saudita y Nigeria. En esta tabla se observa una importante diversificación por países y procedencias y un relativo mantenimiento de sus valores, y aunque es corta su evolución, se manifiestan los acontecimientos de inestabilidad geopolítica que han ocurrido. Hay que recordar

que en 2006 el petróleo representaba en España el 49% (Figura 2.4) de la energía primaria, y por tanto el componente más importante y estratégico del sistema energético español. La situación es muy distinta en el gas natural, como muestra la Tabla 3.7. El crecimiento en el mismo periodo, 2000 a 2006, ha sido de un 105%, y si se contabiliza desde 1999, este subiría a un 130%, con una tasa de crecimiento promedio anual del 11%. Además, el peso de un tercio de la importación recae en Argelia, si bien hace pocos años alcanzaba en los dos tercios. En estos últimos años han adquirido importancia Nigeria, Qatar, Egipto y Trinidad y Tobago, que ayudan a diversificar también por zonas geográficas. El gas con su crecimiento tiene la cota del 21% de la energía primaria. El objetivo prioritario de la UE es alcanzar un mercado único de la energía en particular del gas. Para ello es necesario que se den los siguientes factores: •

Normativas nacionales encaminadas a una efectiva liberalización de los mercados de cada estado en la línea de las directivas europeas. El porcentaje de cuota de mercado del principal operador es: Países Bajos 100%, España 89%, Francia 76%, Italia 64%, Alemania 56% y Reino Unido 47%. En España y Reino Unido

51

Producción y abastecimiento de combustible en España Tabla 3.6. Procedencia del petróleo crudo importado en España de 2000 a 2006. PROCEDENCIA DEL PETROLEO CRUDO IMPORTADO EN ESPAÑA (Miles de toneladas)

AÑO

Libia

Nigeria

Otros

Reino U.

Rusia

Otros

Méjico

Venezuela

Otros

Tasa

Var.

TOTAL

Argelia

Resto

Otros

América

Irak

Europa

Irán

África

Arabia S.

Oriente Medio

2000

6.628

3.880

5.995

652

1.476

6.901

9.165

5.262

2.039

5.141

1.102

7.622

1.562

30

0

57.455

-2,5

2001

6.291

4.098

2.568

1.291

1.571

7.205

8.679

6.182

1.829

5.253

998

7.735

2.608

122

363

56.793

-1,2

2002

6.750

3.272

2.352

1.149

1.058

6.469

5.278

5.831

1.052

7.943

2.197

7.786

4.455

645

212

56.449

-0,6

2003

6.994

4.264

1.528

321

1.502

7.621

6.456

6.344

842

9.883

3.095

7.265

816

367

0

57.298

1,5

2004

6.867

3.469

5.150

657

2.009

7.179

6.238

5.610

439

8.819

4.135

7.717

454

0

476

59.219

3,4

2005

6.331

4.929

2.912

544

2.082

6.176

7.127

6.026

579

8.916

4.045

9.006

1.092

141

337

60.243

1,7

2006

6.512

5.189

3.292

408

1.512

5.548

6.016

5.692

248

12.201

3.272

7.561

3.296

329

149

61.225

1,6

Tabla 3.7. Procedencia del gas natural importado en España de 2000 a 2006. PROCEDENCIA DEL GAS IMPORTADO EN ESPAÑA (GWh) África

Europa

Oriente Medio

AÑO

América

TOTAL Resto

Argelia

Libia

Nigeria

Egipto

Noruega

Qatar

Oman

Trinidad Tob.

1999

115.705

11.203

26.780

9.812

3.903

8.652

176.055

15

2000

120.500

9.291

21.819

26.859

3.456

10.094

6.170

198.189

11

2001

118.339

9.462

18.854

26.836

8.146

5.469

14.910

202.016

2

2002

143.030

7.099

18.691

26.428

24.430

12.600

5.308

4.394

241.980

20

2003

157.055

8.442

46.275

27.180

22.337

6.450

379

1.030

269.148

12

2004

163.028

7.765

56.299

25.884

44.484

14.807

0

2.090

314.357

13

2005

169.187

10.641

61.279

39.545

24.723

54.355

19.824

4.532

3.962

388.048

23

2006

131.804

7.914

83.161

50.468

23.768

62.602

8.054

37.255

1.013

406.039

4

•

existe una completa separación de la propiedad entre las actividades de transporte y comercialización. Ello proporciona, sin duda, flexibilidad logística. En el aspecto menos positivo, también ambos países se destacan por ser los que disponen de menos capacidad de almacenamiento subterráneo. Similitud entre las normativas naciones. En España, a diferencia de otros países, la retribución de las actividades de transporte y regasificación es independiente del grado de utilización de las infraestructuras. El sistema de transporte de gas, en España, es de los más caros, situándose entre 1,52 y 1,85 €/MWh. En España se permite mantener el

•

Tasa

Var.

stock mínimo de GLP en tanques. En Italia y Francia la regasificación es obligada a medida que se descarga el GNL. Infraestructuras de acceso e interconexión con cierta holgura, que favorezcan la diversificación y la seguridad del suministro. En este sentido la capacidad de almacenamiento juega un papel fundamental, como se ha demostrado en la crisis del gas entre Rusia y Ucrania en 2009. La relación almacenamiento/capacidad de emisión, en GWh/d, para diversos países es: Reino Unido 873 y España, 146, lo que supone una cobertura de la demanda de Alemania 25%, Italia 16%, Francia 27%, Países Bajos, 13%, Reino Unido 4% y España 7%.

52


Stocks de seguridad de productos petrolíferos y Gas Natural La relevancia de las importaciones netas de hidrocarburos en el balance energético español es de tal índole que cualquier imprevisto o dificultad en el abastecimiento, incluso momentánea, puede derivar en graves consecuencias para la actividad económica. Debe tenerse en cuenta que los mercados internacionales de productos petrolíferos y de gas natural se encuentran en zonas geográficas ajenas a la influencia de las economías occidentales, lo que una buena gestión de las reservas estratégicas deviene fundamental en las economías actuales. Como indica el Real Decreto 1716/2004, por el que se regula la obligación de mantenimiento de existencias mínimas de seguridad, la diversificación de abastecimiento de gas natural y la Corporación de Reservas Estratégicas de Productos Petrolíferos (Cores), el Estado debe velar por la seguridad y continuidad del abastecimiento de hidrocarburos, sobre la base de las competencias contenidas en la Constitución relativas a la planificación en materia energética. Dicha circunstancia justifica la obligación del mantenimiento de las existencias mínimas de seguridad de gas natural y las exigencias de su adecuado suministro. La Corporación de Reservas Estratégicas de Productos Petrolíferos se crea a partir del Real Decreto 2111/1994, aunque se rige por lo establecido posteriormente en el Real Decreto 1716/2004. Las responsabilidades de Cores son las siguientes: • • •

• • •

Constituir, mantener y gestionar las existencias estratégicas. Controlar las existencias mínimas de seguridad. Controlar el cumplimiento de las existencias mínimas por parte de las empresas que intervienen en el sector del gas natural. Controlar la diversificación de los abastecimientos de gas natural. Elaborar los informes estadísticos relativos al sector de los hidrocarburos. Colaborar con las distintas administraciones públicas siempre que sea necesario.

Son miembros de Cores los operadores autorizados a distribuir al por mayor productos petrolíferos en territorio nacional (incluidos GLP), los transportistas que incorporen gas al sistema y los comercializadores de gas natural. Por lo que se refiere a los productos petrolíferos, estas medidas están siendo aplicadas en España desde 1972, cuando en el marco del Monopolio de Petróleos se estableció la obligación de mantener unas existencias mínimas de seguridad suficientes, refrendada en disposiciones posteriores en los años 1985 y 1992. Asimismo, España es miembro signatario de la Carta de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), organismo multilateral consultivo de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE), que incorpora un sistema homogéneo de corresponsabilidad, para todos los países signatarios, de obligado mantenimiento y disponibilidad de existencias mínimas de seguridad de crudos y productos petrolíferos. España, como miembro de la Unión Europea, está obligada a cumplir la normativa que sobre estas materias primas establece la normativa comunitaria (Directiva 68/414/CEE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 20 de diciembre de 1968, y Directiva 98/93/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 14 de diciembre de 1998). Ambas directivas obligan al mantenimiento de un nivel mínimo de 90 días de importaciones netas o consumo de productos petrolíferos. La importancia creciente del gas natural en el abastecimiento energético español aconseja la introducción de medidas para la seguridad de su suministro. A este fin se obliga a mantener existencias mínimas de seguridad de gas y se incluye la necesidad de diversificación de los abastecimientos procedentes del exterior. La Ley 34/1998, del Sector de Hidrocarburos, establece que todo operador autorizado a distribuir al por mayor productos petrolíferos, y toda empresa que desarrolle una actividad de distribución al por menor de productos no adquiridos a los citados operadores, deberán mantener en todo momento


existencias mínimas de seguridad de productos petrolíferos, en la cantidad, forma y localización geográfica que el gobierno responsable determine reglamentariamente, hasta un máximo de 120 días de sus ventas anuales, extendiéndose la misma obligación a los consumidores respecto a la parte del producto no adquirido a los operadores regulados en esta ley. En relación a la diversificación, el artículo 99 de la Ley 34/1998 del Sector de Hidrocarburos limita a un máximo del 60% las importaciones de gas natural desde un mismo país

53

aprovisionador. La obligación de mantenimiento de existencias mínimas de seguridad de gas natural de los transportistas que incorporen gas al sistema se regula en 20 días de consumos o ventas. Esta obligación se extiende a comercializadores y consumidores que hagan uso del derecho de acceso y no se suministren de comercializadores autorizados. En la Figura 3.2 se muestran esquemáticamente las obligaciones de mantenimiento de existencias mínimas de seguridad de los combustibles fósiles.

Figura 3.2. Existencias mínimas de seguridad de hidrocarburos. (Fuente: Cores).

Distribución de la energía en España. Infraestructuras energéticas españolas

4

LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA RESPONDEN A UN MODELO DE GENERACIÓN CENTRALIZADO • La potencia de generación eléctrica en España está en continuo crecimiento, en función de las centrales térmicas, a la que se ha sumado, sobre todo a partir de 2006, las eólicas. La nuclear y la hidráulica no presentan variación. • En España no existe relación geográfica entre los centros de generación de electricidad y los puntos de consumo. Esto es un factor de insostenibilidad por pérdidas en líneas de transporte. • Las líneas de transporte de electricidad de más de 400 kV son poco más de 17.000 km, y cerca de este mismo valor para las de 220 kV, que han aumentado solamente un 5% y un 3% entre 2002 y 2007. Ello comporta un envejecimiento y sobreexplotación que deriva en averías ya que el consumo, si ha aumentado. • El sistema de distribución de electricidad en España está centralizado y dispone de grandes líneas de transporte, lo que supone unas pérdidas de energía muy importantes. En contrapartida, la UE postula la energía distribuida. Es decir, centros pequeños de generación y redes cortas para el consumo local. • Red Eléctrica Española actúa como gestor único de la red de transporte de energía eléctrica de España y es propietaria del 99% de la red de transporte en alta tensión. Además, REE; como operador del sistema, planifica el desarrollo de la red, la gestiona y garantiza el acceso a la misma de todos los agentes con transparencia e igualdad de condiciones. Otra función de REE, consiste en garantizar ese equilibrio de la producción con la demanda y, para ello, prevé el consumo y opera y supervisa en tiempo real las instalaciones de generación y transporte, logrando que la producción programada en las centrales coincida en todo momento con la demanda real de los consumidores. En el caso de que difiera, envía las órdenes oportunas a las centrales para que ajusten sus producciones aumentando o disminuyendo la generación de energía. • La gestión de la distribución de la electricidad recae en UNESA (Asociación Española de la Energía Eléctrica), que agrupa al 98% de las distribuidoras que, prácticamente, son las mismas sociedades generadoras. Estas han dividido a España en zonas donde cada una centraliza sus actividades de distribución. • España tiene seis instalaciones de regasificación y posee una importante red de distribución de gas natural de más de 50.000 km y 8.000 km de gaseoductos, con conexión con la red europea y la red de África a través de Marruecos, también con Portugal. En 2009 se terminó un nuevo gaseoducto procedente de Argelia.

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• El 50% del consumo de gas corresponde al sector industrial, el 35% a la producción de electricidad y el resto al sector doméstico y servicios. • El 70% del gas llega a España en barco, lo que precisa de instalaciones de regasificación muy importantes. • En España hay dos almacenamientos subterráneos de gas natural, el de la Gaviota y el Serrablo, y varios proyectos. Aunque se está lejos de la capacidad de almacenamiento de otros países como Alemania y Francia. Europa debe crecer con una capacidad de almacenamiento de gas en más del doble. • Respecto al petróleo, en España hay diez refinerías, 3.500 km de oleoductos, una importante organización de distribución y almacenamiento formada por 38 instalaciones de almacenamiento (capacidad de más de 8.500.000 m3 para el crudo y de 11.500.000 m3 para productos), y alrededor de 40 buques petroleros y más de 3.000 camiones para la distribución del petróleo y sus derivados.

Introducción Cada uno de los cinco vectores energéticos, petróleo, gas, electricidad, energías renovables y carbón tiene su propia infraestructura y red de distribución excepto las energías renovables que vierten su producción a la red eléctrica. Estos autores entienden que es preciso cambiar el modelo de generación centralizado. Hoy en día, la energía eléctrica de origen renovable vierte a la red nacional, con lo que persiste el actual modelo de distribución. Sería necesario potenciar un mo-

delo de generación distribuida donde la energía generada en una zona se usara en lugares próximos. Algo semejante acontece con otras energías: es factible generar un sustituto del gas natural e inyectarlo en la red, no obstante lo lógico sería emplearlo in situ. Lo mismo se podría decir de los carburantes líquidos. En los siguientes apartados se comentan las principales infraestructuras energéticas de la electricidad, petróleo y gas, en España.

Infraestructura eléctrica. Distribución de la energía eléctrica En la Figura 4.1. se muestra el esquema genérico de las principales instalaciones que constituye, la infraestructura de un sistema de producción y distribución de energía eléctrica. En cabecera se encuentran las centrales eléctricas que generan la electricidad. A la salida de la central se sitúan las estaciones elevadoras de tensión de las que salen las grandes líneas de transporte de energía eléctrica. A cada nuevo ramal de transporte y distribución de menor tensión se sitúa una subestación de transformación para reducir la tensión, hasta llegar al consumidor final, sea un gran consumidor, una industria o una vivienda. En la Figura. 4.2. se indica la localización en España de las principales centrales eléctricas y los

centros de consumo, escalonados en cinco niveles, desde inferiores a 1.000.000 de MWh/año, hasta más de 25.000.000 de MWh/año. Las zonas de mayor consumo corresponden a las áreas de Madrid y Barcelona. Las zonas donde hay una mayor concentración de centrales son en torno al río Duero en su confluencia con Portugal y en las proximidades del río Ebro entre Zaragoza y su desembocadura al mar. No hace falta superponer al mapa de la Figura 4.2 con un mapa de distribución de población para darse cuenta de que no existe correlación entre la ubicación de los centros de generación de electricidad (zonas alejadas de los núcleos habitados) y los centros de consumo, por lo que se necesitan

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Figura 4.1. Esquema de los sistemas estructurales de producción, transporte y distribución de la energía eléctrica.

Figura 4.2. Centros de consumo versus ubicación centrales eléctricas.

líneas de transporte y distribución de mucha longitud. Esto ocasiona: - Una ineficiencia en las líneas de transporte de energía. La UE preconiza la generación distribuida en el territorio. - Un desconocimiento del ciudadano en las implicaciones ambientales que supone producir la electricidad

CENTRALES DE PRODUCCIÓN La distribución de las centrales eléctricas, (térmicas, nucleares, hidraulicas y eólicas) de mayor tamaño en España están indicadas en la Figura 4.3 Se observa cómo las centrales se concentran en la franja norte, con mayores recursos hidráulicos y más abundantes reservas de carbón, así como en la costa. El interior, especialmente la zona no monta-

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Figura 4.3. Situación de las centrales eléctricas más importantes en España.

ñosa de la gran meseta central, apenas posee centrales de ningún tipo. No obstante, en los últimos años se han instalado muchos parques eólicos en el sistema Ibérico. UNESA (Asociación Española de la Industria Eléctrica) agrupa a muchas de las sociedades de generación, distribución y comercialización de la energía eléctrica. Casi todos los generadores, un 78 %, están dentro de esta asociación. La potencia instalada, en función del tipo de central, y su evolución están reflejadas en la Tabla 4.1. Esta refleja el incesante incremento de la potencia instalada. En los últimos años el crecimiento se ha centrado en las centrales de ciclo combinado y eólicas, mientras la nuclear y la hidráulica siguen prácticamente sin variación. En el terreno nuclear, la generación de las ocho centrales nucleares en operación en España ha sido de 55.039 millones de kWh en 2007, lo que supone

una contribución del 17,5% a la generación eléctrica con tan sólo un 8,5% de potencia instalada. En 2007, de los 90.722 MW de potencia total instalada en España, 7.727 MW correspondían a los reactores nucleares en operación. Un año más, la nuclear ha sido la fuente que más horas ha funcionado a lo largo del año (7.115 horas). La construcción de nuevas centrales energéticas, principalmente funcionando con tecnología de ciclo combinado de gas natural, serán las que absorberán el 50% de la demanda prevista en los próximos años. En muchos países, el gas natural es el combustible preferido para la generación de energía, básicamente por razones económicas y medioambientales. Las plantas de generación de energía eléctrica a partir de gas natural son energéticamente muy eficientes (su rendimiento supera ligeramente el 50%), y su construcción es más económica en re-

Tabla 4.1. Potencia eléctrica instalada en España según tipo de centrales. EVOLUCIÓN DE LA POTENCIA INSTALADA EN MW POR TIPOS DE CENTRALES EN ESPAÑA AÑO TÉRMICA CLÁSICA

1960

1970

1980

1990

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

1.967

6.888

16.447

21.370

22.849

23.960

25.339

26.278

26.928

28.214

29.045

31.766

33.816

38.621

153

1.120

7.364

7.417

7.498

7.580

7.638

7.749

7.798

7.816

7.871

7.896

7.878

4.600

10.883

13.577

16.642

17.558

17.834

18.093

18.534

19.632

20.107

21.484

19.040

18.428

18.595

4.580

6.328

7.803

6.567

17.924

31.144

45.376

47.824

49.292

51.012

52.450

54.309

56.119

58.345

63.257

66.468

72.897

TÉRMICA NUCLEAR HIDROELÉC., EÓLICA Y SOLAR* EÓLICA* TOTAL


lación con las centrales nucleares o las plantas que producen electricidad a partir de carbón. También en relación con el carbón, otro factor muy a tener en cuenta es que la generación eléctrica a partir de gas natural es la que menos contaminantes emite, en especial dióxido de carbono. Sin embargo, la opción de qué combustible emplear y qué tecnología desarrollar en futuras centrales de energía dependerá en gran medida del precio del gas en relación con otras opciones de generación: los relativamente elevados precios del gas natural en los últimos años han atenuado la inversión en nuevas plantas de energía a partir de este combustible, y la percepción actual es que a medio plazo la tendencia será exactamente la misma en relación con los nuevos proyectos desarrollados. Transporte y distribución de la energía eléctrica

Siguiendo el esquema de las infraestructuras que constituyen la producción y distribución de la energía eléctrica de la Figura 4.4, se observa que a la salida de las centrales se sitúan las estaciones elevadoras de alta tensión a 400 kV y pasa a través de subestaciones de transformación a líneas de transporte de 220 kV. Siguiendo el esquema de la Figura 4.1, se observa que de las subestaciones de la red de alta tensión se ramifican redes de menor tensión que constituyen la red de distribución. En un primer nivel y a escala regional se extiende una red, todavía de alta tensión, que constituye la red de reparto a 132, 66, 45 kV. Desde las subestaciones transformadoras de esta red cuelga, a su vez, una red de media tensión que se acerca al consumo más desagregado a 20, 15, y 6,6 kV. Finalmente desde la red anterior se vuelve a disminuir la tensión para alimentar a baja tensión a los consumidores domésticos, comerciales, etc., a 380 V y a 220 V. A cada variación de tensión se sitúa una estación de transformación. Por tanto la red de transporte es la encargada de conectar los grandes centros de producción, geográficamente muy dispersos con los grandes núcleos de demanda, normalmente ubicados cerca de ciudades y zonas industriales, así como de mantener la cohesión global del sistema eléctrico, que debe funcionar en sincronismo. Esta red ha de

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transportar grandes cantidades de energía a largas distancias y por ello debe funcionar a muy alta tensión, a 220 y 400 KV. De acuerdo con la Ley 17/2007 de 4 de julio de 2007, el transporte de electricidad en España constituye una actividad regulada y se realiza en régimen de monopolio a través de Red Eléctrica Española (REE) REE transporta la energía eléctrica en alta tensión. Para ello, gestiona las infraestructuras eléctricas que componen la red de transporte y conectan las centrales de generación con los puntos de distribución a los consumidores. Red Eléctrica es el gestor de la red de transporte y actúa como transportista único, desarrollando esta actividad en régimen de exclusividad. Además es propietaria del 99% de la red de transporte en alta tensión y, por tanto, es la única empresa especializada en la actividad de transporte de energía eléctrica en España. Por ley, además, tiene tres años para adquirir la totalidad de la red. La red de transporte de Red Eléctrica está compuesta por más de 33.500 kilómetros de líneas eléctricas de alta tensión y más de 3.000 posiciones de subestaciones. Cuenta con más de 58.000 MVA de capacidad de transformación También como gestor de la red de transporte, REE es responsable del desarrollo y ampliación de la red, de realizar su mantenimiento, con criterios homogéneos y coherentes para proporcionar la fiabilidad y disponibilidad requerida, de gestionar el tránsito de electricidad entre sistemas exteriores y la península y garantizar el acceso de terceros a la red de transporte en régimen de igualdad. En los sistemas insulares y extrapeninsulares REE, como operador del sistema (OS), planifica el desarrollo de la red, la gestiona y garantiza el acceso a la misma de todos los agentes con transparencia e igualdad de condiciones. Desde su creación en 1985, se hizo cargo de la red de transporte y de la operación del sistema eléctrico español adelantándose a las recientes tendencias mundiales hacia la segregación de actividades, estableciendo al transporte como una actividad separada de la generación y de la distribución. Este hecho supuso un cambio radical en el funcionamiento del sector eléctrico español y ha sido uno de los modelos que ha permitido a otros países establecer sistemas liberalizados.

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La anterior Ley del Sector Eléctrico 54/1997 confirmó el papel de Red Eléctrica como pieza clave en el funcionamiento del sistema. Esta ley creó un mercado mayorista de electricidad para cuyo funcionamiento era imprescindible la existencia de una red de transporte bien gestionada y una operación del sistema que coordinara el conjunto generación-transporte y garantizara que la demanda quedara cubierta en todo momento. La nueva Ley 17/2007, de 4 de julio, modificó la legislación anterior para adaptarla a la Directiva Europea 2003/54/CE que establece normas comunes para el mercado interior de electricidad. Esta ley ha supuesto la consolidación definitiva del modelo TSO (Transmission System Operator) de Red Eléctrica Española. La energía eléctrica no se puede almacenar en grandes cantidades. Por eso, en todo momento, su producción debe igualarse a su consumo de forma precisa e instantánea, lo que requiere su equilibrio constante. La función de Red Eléctrica, como operador del sistema, consiste en garantizar ese equilibrio y, para ello, prevé el consumo y opera y supervisa en tiempo real las instalaciones de generación y transporte, logrando que la producción programada en las centrales coincida en todo momento con la demanda real de los consumidores. En el caso de que difiera, envía las órdenes oportunas a las centrales para que ajusten sus producciones aumentando o disminuyendo la generación de energía. Red Eléctrica, entre sus funciones como operador del sistema, elabora anualmente las previsiones de evolución de la demanda eléctrica a medio y largo plazo, así como de su cobertura. Estas previsiones son fundamentales para la elaboración de los planes de desarrollo de la red de transporte para los próximos años, aprobados por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. REE también gestiona los denominados servicios de ajuste que son aquellos que tienen por objeto adecuar los programas de producción resultantes de los mercados eléctricos diarios e intradiarios a los requisitos de calidad, fiabilidad y seguridad del sistema eléctrico. Se entienden por servicios de ajuste o mercados de ajuste la solución de restricciones técnicas, la asignación de los servicios complementarios y la gestión de desvíos. En este sentido, REE tiene en su organización el Centro de Control Eléctrico de Red Eléctrica (Cecoel), que emite las ins-

trucciones de operación del sistema de producción y transporte con el fin de garantizar la seguridad y calidad del suministro eléctrico. Para hacer frente a las variaciones de la demanda y a la falta de disponibilidad de los generadores se programa la producción y los intercambios internacionales. Adicionalmente, es preciso emitir consignas de operación de los elementos de la red de transporte para que las variables de control permanezcan dentro de los márgenes establecidos en los procedimientos de operación. Cecoel controla de forma permanente el estado de la red y sus parámetros eléctricos, mediante una red de telecomunicaciones, actuando sobre las variables de control para mantener la seguridad y calidad del suministro o para restablecer el servicio en caso de que se haya producido un incidente. Este centro gestiona la información que se recibe en tiempo real desde las centrales y las instalaciones de la red para presentarla a los operadores en una forma gráfica fácilmente comprensible y efectuar los estudios que permitan garantizar la seguridad del sistema eléctrico Dentro de REE también se ha estructurado el Sistema de Información de Medidas Eléctricas (SIMEL), para gestionar la información de la energía intercambiada entre los puntos frontera del mercado eléctrico español. El SIMEL se compone de los equipos de medida que se instalan en los puntos de medida de las fronteras entre actividades, de los concentradores secundarios, que reciben total o parcialmente la información horaria de los equipos de medida asignados a cada uno y del concentrador principal de medidas eléctricas, así como de las comunicaciones entre ellos. El concentrador principal recibe, almacena, procesa y difunde a los distintos participantes los datos referentes a la energía intercambiada en los diferentes puntos frontera del sistema: • • • •

Puntos de generación, transporte y distribución. Conexiones internacionales. Productores en régimen especial. Consumidores cualificados.

En 2007 el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio publicó la propuesta de planificación de los sectores de electricidad y gas para el periodo 2008-2016. En este se indicaba la labor de Red Eléctrica, que consistiría en la identificación


de las necesidades futuras de desarrollo de la red. Para ello debía elaborar el análisis de previsión de la demanda eléctrica y su cobertura, así como los estudios técnicos de adecuación de la red de transporte. El desarrollo de la red se debe centrar en el refuerzo y mallado de la red peninsular, en la ampliación de las interconexiones, en la evacuación de energía de los ciclos combinados y parques eólicos y en el suministro de la red ferroviaria de alta velocidad. Esta propuesta de planificación contempla un significativo programa de construcción de nuevas instalaciones y permitirá la evacuación de energía tanto de las centrales de ciclo combinado como de numerosas instalaciones de régimen especial, principalmente eólicas, previstas para este periodo. Red Eléctrica Española y Réseau de Transport dÉlectricité (RTE) han firmado a comienzos de 2008 un acuerdo para la construcción de una nueva línea de 400 kV por el este de los Pirineos, entre las subestaciones de Santa Llogaia (España) y Baixas (Francia). Este eje, además de incrementar la capacidad de interconexión, permitirá reforzar la seguridad de los dos sistemas y favorecer la integración de mayor volumen de energía renovable, especialmente de energía eólica del sistema ibérico. También Red Eléctrica y Rede Eléctrica Nacional (REN) de Portugal han progresado los trabajos de refuerzo de los ejes del Duero y del Tajo, así como los estudios para las dos nuevas interconexiones de 400 kV, para alcanzar una capacidad mínima de intercambio comercial entre ambos países de 3.000 MW. En el contexto estricto, según el artículo 5 del RD 1955/2000, actualmente vigente, la red de transporte está constituida por: • • • • •

Las líneas de tensión igual o superior a 220 kV. Las líneas de interconexión internacional, independientemente de su tensión. Los parques de tensión igual o superior a 220 kV. Los transformadores 400/220 kV. Cualquier elemento de control de potencia activa o reactiva conectado a las redes de 400 kV y de 220 kV y aquellos que estén conectados en terciarios de transformadores de la red de transporte.

•

•

61

Las interconexiones entre el sistema peninsular y los sistemas insulares y extrapeninsulares y las conexiones interinsulares. Aquellas otras instalaciones, cualquiera que sea su tensión, que, como resultado del proceso de planificación de la red de transporte de energía eléctrica, el Ministerio de Economía, previo informe de la Comisión Nacional de Energía y a propuesta del operador del sistema y gestor de la red de transporte, determine que cumplen funciones de transporte.

El reciente R.D. 223/2008, indica que las líneas de alta tensión atendiendo a su tensión nominal, pueden clasificarse en cuatro categorías: especial, primera, segunda y tercera. Las de categoría especial son las de tensión nominal igual o superior a 220 kV y las de tensión inferior que formen parte de la red de transporte conforme a lo establecido en el artículo 5 del Real Decreto 1955/2000, de 1 de diciembre, por el que se regulan las actividades de transporte, distribución, comercialización, suministro y procedimientos de autorización de instalaciones de energía eléctrica. En general las líneas de transporte, como ya se ha comentado, son a 400 kV o a 220 kV. La evolución de los kilómetros de estas líneas y centros de transformación desde 2003 hasta 2007, están detallados en la Tabla 4.2. De esta tabla se observa que el sistema de transporte entre 2003 y 2007 apenas ha crecido, el incremento en longitud de las líneas no llega al 5% en las de 400 kV y al 3% en las de 220 kV, mientras que la capacidad de transformación alcanza el 24%, y la potencia de generación en régimen ordinario ascendía en este mismo periodo a un 29%. Estas diferencias, han puesto de manifiesto, en 2007, la debilidad, y envejecimiento de las líneas de interconexión con los acontecimientos de julio de 2007 en Barcelona. También continúan pendientes las líneas de interconexión con Francia. Los mapas de las Figuras 4.2 y 4.4 muestran la disposición general de las líneas de transporte de 400 kV. La mayor parte de las rutas principales están servidas por dos, tres o cuatro líneas de alta tensión. Los círculos negros de la Figura 4.2 muestran zonas de concentración de subestaciones

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Tabla 4.2. Evolución del sistema de transporte y transformación de energía eléctrica entre 2003 y 2007 (Fuente: REE). EVOLUCIÓN DEL SISTEMA DE TRANSPORTE Y TRANSFORMACIÓN

Km de circuito a 400 kV

Km de circuito a 220 kV

Capacidad de transformación (MVA)

Red Eléctrica Otras empresas Total



2003

2004

2005

2006

2007

16.308

16.548

16.808

17.005

17.134

285

293

38

38

38

16.593

16.841

16.846

17.043

17.172

11.168

11.386

16.213

16.424

16.461

5.102

5.003

245

261

261

16.270

16.389

16.458

16.685

16.722

32.566

37.216

54.272

56.072

58.022

14.856

14.256

800

800

800

47.422

51.472

55.072

56.872

58.822

Figura 4.4. Distribución de las líneas de transporte de 400 kV.

de modificación de voltaje, tanto para el transporte como para el consumo. Por ejemplo, las existentes en la periferia del área metropolitana de Madrid reducen el voltaje para el consumo comercial, mientras que las presenciales en el área del Bajo Tajo elevan la tensión de la electricidad producida en las grandes centrales hidroeléctricas de la zona. El ángulo noroeste muestra una gran concentración de líneas de transporte (la zona de Valladolid en especial), pues ahí confluyen muchas líneas de las centrales térmicas e hidroeléctricas de Galicia, Asturias y León. Por el contrario, el ángulo su-

reste fuera de la costa presenta la menor densidad de líneas y subestaciones, debido a la ausencia de centrales de producción y de grandes centros de consumo. REE en su página web pone a disposición varios mapas de las líneas eléctricas de transporte y distribución de todo el sistema ibérico, islas Baleares y Canarias, archipiélago de Madeira y Ceuta. Uno de ellos se presenta en la Figura 4.5, aunque pueden encontrarse con mayor resolución, ya que el sistema ibérico está dividido en 36 sectores, y los mapas se hallan a escala de 1:1.000.000.


63

Figura 4.5. Mapa peninsular de las líneas eléctricas. (Fuente: REE).

Figura 4.6. Actividad de distribución de la energía eléctrica en España. (Fuente: UNESA).

En cuanto a la gestión de la distribución, UNESA agrupa al 98% de la distribución que, prácticamente con las mismas sociedades generadoras, dividen a España en zonas donde centralizan sus actividades de distribución, tal como indica la Figura 4.6. Según la memoria del 2006 de UNESA el consumo de energía se distribuyó entre un 51,4% en alta tensión y un 48,6 en baja tensión, con cerca de 26 millones de clientes, de los que el 99,6% correspondía a baja tensión con un crecimiento anual en clientes del 1,4%, y con una potencia contratada media de 4,86 kW, frente a los 4,49 kW

de 1997. El consumo por sectores según UNESA correspondía a un 37% a industria, energía y construcción, un 30% (un 32% en 2007) a comercio y servicios, un 27% al sector residencial (un 26,2 en 2007) y un 7% a otros.

TRANSMISIÓN DE ELECTRICIDAD AÉREA Y SUBTERRÁNEA Hoy en día, para el transporte de grandes potencias se usan universalmente los sistemas de corriente alterna. Se ha llegado a ello como con-

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secuencia de la simplicidad de los grandes generadores y transformadores de corriente alterna. La tensión de transmisión puede ser adaptada a las necesidades del servicio con mayor sencillez y economía que en caso de sistemas de corriente continua. El sistema de uso más general en la actualidad es el trifásico. Los sistemas monofásicos solo se usan en ferrocarriles. Los sistemas de transmisión a alta tensión en corriente continua (sistema Thury) fueron usados en Europa desde 1890 hasta 1937. Los sistemas de transmisión esencialmente constan de los siguientes elementos: • • • •

Estaciones transformadoras elevadoras. Líneas de transmisión. Estaciones de maniobra. Estaciones transformadoras reductoras.

Sistemas trifásicos

Se emplean de modo casi exclusivo para la transmisión de energía, gracias a su simplicidad y al mayor rendimiento de los conductores respecto a los demás sistemas de corriente alterna. Sistemas monofásicos

Estos sistemas no pueden, en general, competir con los sistemas trifásicos para la transmisión de energía y se usan tan solo para aplicaciones especiales. La más importante de ellas es la de los grandes ferrocarriles; sise tiene en cuenta el coste del conjunto del equipo, la transmisión monofásica resulta ser la más económica. Sistemas de alta tensión de corriente continua

Estos sistemas permiten reducir la tensión, en comparación con los sistemas trifásicos, como puede deducirse del peso relativo del conductor para una tensión máxima dada. Los métodos para conseguir grandes potencias a tensiones elevadas en corriente continua no han

progresado al mismo ritmo que los adelantos en corriente alterna, y hoy día casi no existen sistemas comerciales de alta tensión en corriente continua. Consideraciones económicas

La elección de la tensión es generalmente un tema propio del proyecto en concreto, ya que el costo de la línea de transmisión es solamente uno de los muchos factores de importancia a considerar. En líneas importantes, la elección se hace mejor mediante presupuestos comparativos y tanteos respecto a una determinada serie de aspectos que incluyen la totalidad del equipo, prestando la debida atención a las tensiones existentes, a las cargas futuras, a las interconexiones y a la intercambiabilidad del equipo. Tales comparaciones resultan muy laboriosas, y justifican un programa cuidadosamente planeado. La elección de la tensión queda generalmente limitada dentro de márgenes relativamente pequeños por la necesidad de conseguir una regulación satisfactoria sin prodigar excesivamente el equipo regulador. Esto depende, en gran medida de la energía que deben ser transmitida a un número determinado de kilómetros. En general, dentro de unos límites dados de tensión, con la misma calidad de construcción, el costo de la línea sola disminuye ligeramente al aumentar la tensión. Esto se debe a la reducción conseguida en el peso del conductor, que es generalmente el factor más importante, aunque aumente el costo del aislamiento por aumento de tensión. Sin embargo, diversas consideraciones, tales como el efecto corona y la resistencia mecánica, pueden alterar esta conclusión teórica. El costo de la línea, sin incluir el equipo de sus extremos, no es, pues, una guía segura. Una parte del mayor costo de las líneas de tensiones más elevadas, especialmente si se consideran tensiones muy diferentes, se debe a la mejor calidad de construcción y mejor servicio, que generalmente acompañan (y con razón suelen exigirse) a las tensiones más elevadas.

Infraestructuras para el gas España tiene un crecimiento en el consumo de gas imparable y los centros de consumo están cada

vez están más lejos de los de producción. Entre 2000 y 2006 las ventas de gas se han doblado, con

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incrementos del 17,5 % en 2005 y 4,1 % en 2006, situándose en torno a los 36.000 millones de m3 a finales de 2006. Típicamente los picos de consumo de gas tienen lugar en invierno y registra además una marcada fluctuación entre día y noche por la demanda de electricidad (esta, en su cuarta parte, es producida por las centrales de ciclo combinado alimentadas por gas). España ocupa la sexta posición entre los 25 países de la UE, por detrás de Reino Unido, Alemania, Italia, Francia y Países bajos. Por comunidades autónomas, Cataluña con el 21,17%, Andalucía 15,6%, la comunidad Valenciana con 12,9%, Euskadi 8%, Madrid 7,7%, Murcia 6,4%... Los consumos de gas corresponden a: 50,9% al sector industrial, y 34,4% al sector de generación de electricidad y solo un 13,2% el sector doméstico-comercial. La infraestructura de gas natural en España se compone actualmente de seis plantas de regasificación, dos almacenes subterráneos (correspondientes a antiguos yacimientos ya extinguidos), una red básica que conecta España con Europa y otra con Argelia, así como una serie de yacimientos para el abastecimiento propio. El aprovisionamiento de gas natural en España lo lleva a cabo la compañía Enagás, propietaria de la Red Nacional de Gaseoductos. La red de gas en España ha estado creciendo continuamente con inversiones importantes y está en correspondencia con el continuado aumento de su consumo que se reflejan en la Tabla 4.3. Los picos de consumo pueden durar únicamente media hora, pero la industria energética debe estar preparada para cubrirla. Muchas industrias, en que el gas es estratégico, tienen contratos sin interrupción del suministro. Los comercializadores de gas se encuentran en una situación parecida con los exportadores de gas, las compañías de exploración y producción de los gaseoductos, con contratos a largo plazo y requieren el pago de un determinado volumen de gas, independientemente de la demanda que deban cubrir. Hay un mercado

“spot” donde se puede comprar, cuando hay una punta de demanda, al precio que marque el mercado en aquel instante, normalmente alto, o vender a un precio más bajo cuando la demanda es baja, pero si se puede se almacena. El gas llega a España, básicamente en barco (el 70%), y el resto por medio del gaseoducto magrebí, aunque también puede entrar por el gaseoducto europeo que entra por Francia. Cuando los barcos metaneros llegan a puertos españoles, descargan el combustible en tanques de almacenamiento. Este sistema, no muy frecuente en la UE, no deja de ser un potencial peligro. Los gaseoductos de alta presión, que constituyen la red de transporte y distribución del gas, son canalizaciones integradas por tubos de acero de alto límite elástico, con todas sus uniones soldadas. Como protección pasiva contra la corrosión, los gaseoductos están revestidos externamente con una lámina de polietileno para evitar el contacto directo del acero con el terreno. A mediados de 2008, la red de Enagás estaba integrada por 8.364 km de tuberías (7.609 km en 2006) diseñadas para operar a presiones máximas entre 72 y 80 bar. Las principales gaseoductos están reflejados en la Figura 4.7. Así, la red de transporte española de gas natural está formada por los siguientes ejes: •

• •

•

Eje central. Integra a las siguientes poblaciones: Huelva, Córdoba, Madrid, Cantabria y País Vasco. Eje oriental. Formado por: Barcelona, Valencia, Alicante, Murcia y Cartagena. Eje occidental-Ruta de la Plata. Integrado por: Almendralejo, Cáceres, Salamanca, Zamora, León y Oviedo. Eje occidental hispano-portugués. Integrado por: Córdoba, Badajoz, Campo Maior (Portugal), Leiria (P), Braga (P), Tuy, Pontevedra, A Coruña y Oviedo.

Tabla 4.3. Inversiones y red de distribución de gas en España. INVERSIONES Y EVOLUCIÓN DE LA RED DE GAS EN ESPAÑA AÑO

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

Inversiones

M€

626,2

499,6

614,1

758,6

911,7

800,5

781,2

1010,1

1147

Longitud de la red

km

24.170

27.022

30.131

33.620

37.022

40.113

44.311

48.148

52.122

66


Figura 4.7. Gaseoductos en España.

•

Eje del Ebro. Formado por: Tivissa, Zaragoza, Logroño, Calahorra, Haro, Burgos, Santander y Oviedo.

Este sistema gasístico recibe el gas natural desde diferentes puntos de origen: • Plantas de regasificación. • Gaseoducto procedente de Francia (eje Larrau-Calahorra). • Gaseoducto procedente de Argelia (eje Magreb-Europa). • Yacimientos propios. • Almacenamientos subterráneos. En cuanto a las conexiones internacionales, en 1993 se puso en marcha el gaseoducto LarrauCalahorra, primera conexión española con la red europea de transporte de gas natural. Por otra parte, en Zahara de los Atunes (Cádiz) se encuentra la terminal receptora del gas procedente de África (red gasista Magreb-Europa), que entró en funcionamiento en el año 1996. El gaseoducto Al Andalus transporta una parte muy importante del gas empleado en España y Portugal, mientras que en Badajoz y en Tuy (Pontevedra) se encuentran puntos de conexión entre las redes española y portuguesa. Se está construyendo otro importante gaseoducto procedente de Argelia, que entrará en España por Almería con una longitud de 210 km. El gaseoducto submarino se ha completado en marzo de 2009. La explotación comercial está

prevista en 2010, con una capacidad de ocho mil millones de metros cúbicos al año através de una tubería de 24 pulgadas. Medgaz es la compañía responsable del proyecto, y Sonatrach, Cepsa y Gaz de France Suez son los accionistas. También deben tenerse en cuenta las estaciones de compresión, que permiten elevar la presión del fluido, a la vez que se maximiza la capacidad del transporte, hasta unos valores que oscilan entre 72 y 80 bar. La potencia total instalada en España es de más de 320.000 kW. El almacenamiento subterráneo de gas constituye un importante mecanismo regulador del precio y de la demanda para gestionar fluctuaciones, y suavizar sus repercusiones en el consumidor. Pero además constituye un aspecto estratégico sobre la seguridad de suministro respecto a los países productores e incluso sobre la negociación del precio. En consecuencia los sistemas de almacenamiento de gas se convierten en infraestructuras energéticas de un valor estratégico. Los sistemas de almacenamiento subterráneos admiten una elevada capacidad, y pueden construirse en formaciones de sal, minas abandonadas y en rocas porosas, estas pueden ser en campos de hidrocarburos ya agotados o en acuíferos salinos. En España hay dos almacenamientos operativos, el de la Gaviota, en el mar Cantábrico frente a las costas de Bermeo, y El Serrablo, cerca de Jaca en el Pirineo aragonés. Recientemente se ha concedido

67


la concesión administrativa para la explotación del almacenamiento subterráneo de Yela en Guadalajara. De esta forma puede aumentarse la capacidad de almacenamiento de gas en un 50% y garantiza la seguridad de suministro por su situación estratégica y cercana a Madrid. Otros proyectos son los de Castor, costa de Amposta, Poseidón, costa de Cádiz, ampliación de la Gaviota, en marismas de Guadalquivir, y Reus en antiguos acuíferos. El proyecto Castor, consta de una mole caliza porosa, situada a 1.750 metros de profundidad bajo el lecho marino a 22 km de la costa y constituye un antiguo yacimiento de petróleo agotado. El yacimiento tiene cinco km de longitud, dos de anchura y 300 m de altura. La capacidad de almacenamiento de gas natural se estima en un billón de m3 y se hallará unido a la plataforma terrestre mediante un gaseoducto de 30 km de longitud. El objetivo de Castor, que se calcula en 1.300 millones de euros, es garantizar el suministro de gas en cualquier circunstancia.

El primer almacenamiento subterráneo en el mundo se inauguro en 1915 en EE UU y hoy en día hay 620 instalaciones operativas, que garantizan algo más del 11% de la demanda de gas a escala global. EE UU tiene la capacidad de suministrar el 18% de la demanda domestica, le sigue Rusia, que es a su vez uno de los principales suministradores de gas de Europa. Alemania tiene 44 instalaciones, Francia 15, Italia 10, Rumania y la República Checa 8, Polonia 6, etc. Un buen número de estos depósitos están en las cercanías de centros urbanos como París, Milán, Bolonia o Munich. La seguridad está garantizada por una exigente normativa europea. Según el Cedigaz, de 2005 a 2020, Europa debe desarrollar una capacidad adicional cercana a los 50-55 bcm (109 m3), y la capacidad operativa total de almacenamiento de todo el mundo estará en torno los 125-135 bcm. Con este horizonte el ratio almacenamiento/consumo en todo e mundo estaría en el 12%.

Infraestructuras para el petróleo En España hay diez refinerías de petróleo, nueve de ellas se encuentran localizadas en la costa, por lo que se abastecen lógicamente por vía marítima, mientras que solamente en uno de los casos, concretamente en la refinería de Puertollano (Ciudad Real), el crudo proviene a través de un oleo-

ducto directamente desde el puerto de Cartagena (Murcia), donde se descarga el producto transportado en los buques petroleros (véase Figura 4.8). En la Tabla 4.4 puede observarse cómo ha ido evolucionando desde el año 1960 la capacidad de refino en las refinerías españolas.

Tabla 4.4. Evolución de la capacidad de refino oficialmente autorizada (en kt) en España. (Fuente: Enciclopedia Oilgas).

1960

1970

1980

1990

2000

2003

2005

2006

5,5

8,0

10,0

10,0

10,0

10,0

10,0

10,0

A Coruña

-

4,0

7,0

7,0

7,0

7,0

7,0

7,0

Puertollano

-

6,0

7,0

7,0

7,0

7,0

7,0

7,0

Tarragona (Repsol)

-

-

13,0

13,0

13,0

13,0

13,0

13,0

Algeciras

-

4,0

8,0

8,0

8,0

8,0

12,0

12,0

Huelva

-

4,0

6,0

8,0

8,0

8,0

5,0

5,0

Tenerife

2,3

8,0

8,0

8,0

8,0

8,0

4,5

4,5

Somorrostro

-

5,0

12,0

12,0

12,0

12,0

12,0

12,0

Castellón

-

4,0

8,0

8,0

8,0

8,0

8,0

8,0

Tarragona (Asesa)

-

0,7

1,1

1,4

1,4

1,4

1,4

1,4

Escombreras

68


Tabla 4.5. Capacidad de almacenamiento de las refinerías en España. (Fuente: Cores). Crudo (m3)

Productos (m3)

1.900.000

1.500.000

A Coruña

570.000

1.000.000

Puertollano (Ciudad Real)

660.000

2.100.000

Tarragona

930.000

1.450.000

Algeciras (Cádiz)

928.100

1.121.700

Huelva

1.363.800

911.800

Tenerife

468.000

833.000

Terminal de Ceuta

-

93.000

Terminal de Valdemoro

-

5.500

Propietario REPSOL

CEPSA

Escombreras (Murcia)

BP OIL

Castellón

657.500

762.800

PETRONOR

Somorrostro (Vizcaya)

894.000

1.270.000

ASESA

Planta de Tarragona

210.000

402.880

8.581.400

11.450.680

TOTAL

Además estas refinerías tienen una importante capacidad de almacenamiento que está reflejada en la Tabla 4.5, donde están agrupadas por las compañías que son propietarias: Repsol (Escombreras, A Coruña, Puertollano y Tarragona), Cepsa (Algeciras, Huelva, Tenerife, Terminal de Ceuta, Terminal de Valdemoro), BP Oil (Castellón), Petronor (Somorrostro) y Asesa (Tarragona). Las más importantes y sus características son: •

•

La planta de Escombreras (Murcia) está formada por una refinería de petróleo y una planta de lubricantes. La refinería no incorpora conversión, por lo que es capaz de producir residuos de destilación directa de mayor valor añadido. Tiene una capacidad de destilación de 5,4 millones de toneladas anuales. Por otra parte, la planta de lubricantes puede producir hasta 140.000 toneladas al año, con amplia variedad de productos: aceites, extractos, parafinas, asfaltos, etc. En el año 2006, el total de crudo tratado fue de 3,64 millones de toneladas. La refinería de Puertollano es la única que se encuentra en interior, aunque mediante un oleoducto de 351 km de longitud y tres estaciones de bombeo está conectada directamente a la planta de Escombreras. Su refinería se caracteriza por un elevado grado de

•

•

conversión, minimizando de esta forma la generación de subproductos. Su capacidad de tratamiento de crudo es de 7,5 millones de toneladas anuales, que fue lo que precisamente trató en el año 2006. La planta de lubricantes puede producir hasta 105.000 toneladas al año de más de 45 tipos diferentes de aceites, grasas, parafinas, etc. La instalación de Puertollano también dispone de una planta de olefinas, pudiendo fabricar 250.000 toneladas de etileno al año, y unas 140.000 toneladas de propileno, además de otros productos. La refinería de Tarragona está formada por una refinería de petróleo, caracterizada por la obtención de productos destilados con un alto rendimiento. Tiene una capacidad de destilación de 9,3 millones de toneladas de crudo al año, aunque trató 8,1 millones de toneladas en 2006. La planta de olefinas se encuentra integrada a la refinería y produce 625.000 toneladas de etileno al año y 350.000 toneladas anuales de propileno, además de otros productos diversos. La refinería de A Coruña fabrica pocos fuelóleos, ya que tiene un alto grado de conversión. Tiene una capacidad de destilación de 6 millones de toneladas de crudo anuales,


siendo además la única instalación que incluye un proceso de calcinación de coque. Una vez tratado el petróleo crudo en las refinerías, donde se le somete a diversos tratamientos para extraer sus diferentes derivados, se envía a intermediarios y consumidores finales a través de vía marítima, por transporte en carretera (camiones cisterna) y en ferrocarril (vagones cisterna), o mediante oleoductos. Respecto al transporte por vía marítima, en el año 2006 existían en España 40 buques petroleros con 1.087.992 toneladas de peso muerto. En ese mismo año las refinerías españolas recibieron 60,47 millones de toneladas de crudo, un 1,5% más respecto al año 2005. El grupo CLH, formado por la Compañía Logística de Hidrocarburos CLH, S.A. y su compañía filial, CLH Aviación, S.A., es la empresa líder en transporte y almacenamiento de productos petrolíferos en el mercado español, que además presta

69

sus servicios a la mayoría de los operadores petrolíferos que hay en España. La principal actividad de CLH es el almacenamiento, transporte y distribución de productos petrolíferos en todo el territorio peninsular y las islas Baleares, garantizando además el libre acceso de terceros a su sistema logístico. Por otra parte, CLH Aviación, está presente en la mayoría de los aeropuertos españoles, pudiendo ofrecer un servicio de almacenamiento, distribución y puesta a bordo en aeronaves de combustibles y lubricantes de aviación. La red de oleoductos de CLH tiene unos 3.500 kilómetros de longitud (Figura 4.8), siendo una de las más extensas de la Unión Europea. Esta compañía cuenta también con una red de 38 instalaciones de almacenamiento distribuidas por la península Ibérica y las Islas Baleares. Estas instalaciones, junto con las de las refinerías, permiten almacenar unos 6,2 millones de metros cúbicos de produc-

Figura 4.8. Red de oleoductos, instalaciones de almacenamiento, refinerías, instalaciones portuarias de CLH e instalaciones de CLH Aviación.

70


tos petrolíferos. Además, el Grupo CLH también dispone de 28 estaciones aeroportuarias con capacidad para almacenar 144.000 metros cúbicos de combustible para aprovisionar a los aviones. Todas estas instalaciones están situadas en el mapa de la Figura 4.8. En cuanto al transporte por carretera, existen diversas empresas encargadas de este servicio y que pertenecen a la CETM (Confederación Española de Transporte de Mercancías), que a su vez está formada por: ANEDIPE (Asociación Nacional de Empresas Distribuidoras de Productos Petrolíferos), AETC (Asociación Empresarial de

Transporte en Cisternas) y FED GLP (Asociación de Empresas Distribuidoras de Gases Licuados del Petróleo). ANEDIPE está formada por unas 50 empresas asociadas y cuenta con una flota de unos 3.000 vehículos de transporte. AETC está formada por más de 120 socios y unos 3.900 vehículos. Por su parte, FED GLP está integrada por 340 empresas distribuidoras de gases licuados de petróleo. En referencia al transporte por ferrocarril, CLH ha dejado esta actividad desde el año 2003, mientras que Repsol Butano ha visto reducida la cantidad que ha transportado por este medio.

Cuvas de demanda y consumo eléctrico

5

PARA IMPLANTAR UN MODELO ENERGÉTICO BASADO EN LAS EE RR ES IMPRESCINDIBLE ACTUAR SOBRE LA DEMANDA • La electricidad no se puede almacenar a gran escala con costes razonables, por lo que la generación eléctrica debe ser igual a la demanda en cada instante, teniendo en cuenta que la demanda varía con el tiempo. • Los principales consumidores de energía eléctrica son el sector industrial, con un reducido número de consumidores pero de elevada demanda, y el sector residencial, con un gran número de clientes de bajo consumo. • El sector industrial absorbe el 36,9% del consumo, el comercio y servicios el 32% y el sector residencial el 31,1%. • Por gestión de la demanda eléctrica se entiende el conjunto de diferentes medidas que persiguen influir en el consumidor para que modifique su patrón de demanda, cuánto y cuándo consume, con el fin de lograr, no sólo un ahorro neto de energía, sino también un uso más eficiente de la misma • La curva de demanda puede seguirse en tiempo real, de ella se derivan unos patrones de consumo que permiten predecir la demanda. Las fluctuaciones no solo son diarias, sino semanales, mensuales…, y en el curso de los años siempre han seguido una evolución creciente. • También existe una importante fluctuación en el precio del mercado diario de la electricidad que puede variar de 5 a 1 o más entre los precios de las horas punta de mayor demanda a los precios mínimos. El sector residencial y el pequeño consumidor no se entera de estas variaciones de precios por lo que no se encuentran incentivados ni motivados por el aspecto económico. • Las potencias de las puntas de consumo, que hay que cubrir, han aumentado más que las medias, lo que da lugar a la existencia de una importante potencia instalada que genera electricidad muy pocas horas al año. Así, el equivalente a cuatro centrales nucleares solo generó electricidad durante aproximadamente 100 horas a lo largo de todo el año 2006. En 2007 la potencia instalada era casi el 40% mayor a la de punta máxima del año. • El consumo del 2007 se repartió en un 48,1% en baja tensión y un 51,9% en alta. • En esta línea, la nuclear tiene una potencia instalada de un 9%, pero realiza una cobertura de la demanda del 20%, ya que constituye una de las tecnologías de base con una producción constante, situación parecida a las centrales que utilizan carbón. En el otro extremo están las instalaciones de fuel/gas con una potencia instalada del 6%, que en cambio solo cubren una demanda del 1%, y es solo utilizada para las puntas de demanda.

72


• La cobertura base se realiza con la nuclear y las termoeléctricas de carbón, la valle con termoeléctricas de carbón y ciclo combinado y los picos con la hidroeléctrica. • Hay que realizar una adecuada gestión de la demanda. Según la Comisión Europea “existen pocas posibilidades para actuar en el suministro y por consiguiente, la estrategia a seguir consiste en la actuación sobre la demanda”. La gestión persigue influir en el consumidor para que modifique su patrón de demanda, cuánto y cuándo consume. La finalidad es lograr un ahorro neto de energía, un uso más eficiente y racional de la energía y, por lo tanto, su adecuación a los recursos existentes. En consecuencia, reducir la necesidad de renovar la infraestructura y de arrancar centrales de generación innecesarias, equivalente a una reducción del coste de la energía y de las inversiones. • La Ley 17/2007 determina que a partir del 1 de enero de 2009 desaparece el sistema tarifario integral y se establece la “tarifa de último recurso”, que será fijada por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, y a la que podrán acogerse todos los consumidores durante 2009. • El RD 1110/2008 prescribe que las viviendas deberán tener un tipo de contador de los que se conocen como electrónicos y que permitan realizar una facturación con discriminación horaria, haciendo posible que la demanda de electricidad pueda desempeñar un papel mucho más activo en el funcionamiento del mercado eléctrico. • En el sector industrial se estima un potencial de ahorro del 17 % respecto al consumo anual final, que podría conseguirse para el año 2010. Mientras, en el sector doméstico y terciario las posibilidades se estiman en un 20 %.

Introducción El sector de la electricidad, respecto a la generación y a su consumo, tiene algunas características que lo diferencian de otros sectores energéticos: • •

•

La electricidad no se puede almacenar a gran escala con costes razonables. En consecuencia, el suministro de electricidad tiene que ser, en tiempo real, igual a su consumo. Es decir, que la generación eléctrica es básicamente igual a la demanda en cada instante (incluyendo las pérdidas que se producen en el sistema). La demanda eléctrica varía con el tiempo en

función de los hábitos de los consumidores, la estructura productiva de la economía, climatología, estación del año, etc. • Cada instalación de generación de electricidad tiene unos costes diferentes dependiendo del combustible y su precio, gastos de mantenimiento, amortización de las instalaciones, etc. Estas características influyen en lo que se denomina perfil de la demanda y la distribución horaria de precios de la energía eléctrica ambos muy variables a lo largo de un mismo día.

Curvas de demada eléctrica En todo instante se puede seguir en tiempo real la curva de demanda eléctrica peninsular en “demanda de energía en tiempo real” de la web de Red Eléctrica Española. En efecto con una tecnología muy avanzada, Red Eléctrica capta mediante las instalaciones que tiene distribuidas por todo el país

los datos precisos para realizar una operación segura del sistema eléctrico. Con estos valores, gestiona la disponibilidad de las centrales de producción, las posibles restricciones de la red de transporte y los intercambios internacionales y, además, realiza la previsión de la demanda.

Curvas de demanda y consumo eléctrico

Red Eléctrica presenta, en forma gráfica, la demanda de energía que se está produciendo en el sistema eléctrico peninsular en tiempo real. Incluye datos cada diez minutos de la demanda real, prevista y programada, así como los valores de máximos y mínimos de la demanda diaria. También adjunta otras gráficas en las que da información de las distintas tecnologías de producción necesarias para cubrir tanto la demanda en tiempo real como la cantidad de energía destinada a la exportación y a los consumos en bombeo. A modo de ejemplo, en la Figura 5.1 se muestra el consumo del agregado diario del miércoles 18 de junio de 2008, que ilustra la forma del perfil, o curva, de la demanda eléctrica. En esta se observa la demanda real, curva amarilla, que refleja el valor instantáneo de la demanda de energía eléctrica. También se indica la previsión de la demanda, curva verde, que es elaborada por Red Eléctrica con los valores de consumo en periodos precedentes similares, corrigiéndola con una serie de factores que influyen

73

en el consumo como laboralidad, climatología y actividad económica, y que dan lugar a la curva programada. La Figura 5.2, presenta la demanda de electricidad por intervalos, por ejemplo una semana, entre el día 15 de junio de 2008, domingo, y el inicio del día 19. Por tanto también está comprendida la demanda del día 18 visto en la Figura 5.1. En la Figura 5.2 está incluido en su parte inferior un intervalo de 2 meses de curvas semanales, desde el 9 de junio hasta el 7 de agosto. En estas se observa perfectamente la periodicidad semanal, con menores consumos los sábados y los domingos. En todas estas gráficas, también en la periodicidad semanal, se puede ver cómo el mayor consumo tiene lugar en torno al mediodía, que es cuando además hace más calor y están a máxima potencia muchos aparatos de aire acondicionado que funcionan preferentemente con electricidad. Esta punta de consumo al mediodía se ve cómo aumenta a principios de julio de 2008 en la parte inferior de la Figura 5.2, periodo que fue espe-

Figura 5.1. Ejemplo de curva diaria de demanda eléctrica. Fuente: REE.

Figura 5.2. Ejemplo de curva semanal, junto a la bimensual, de demanda eléctrica en verano. Fuente REE

74


Figura 5.3. Ejemplo de curva semanal, junto a la bimensual, de demanda eléctrica en invierno. Fuente: REE.

cialmente caluroso, y además se agudiza durante julio y agosto. Esta grafica se puede comparar con la de la Figura 5.3, que representa la demanda de electricidad en la primera semana de 2008. En la parte inferior de esta figura, donde aparecen las demandas desde el 20 de diciembre de 2007 al 23 de febrero, los máximos de consumo se sitúan entre las 18 y 20 horas, debido a las necesidades de calefacción e iluminación de las viviendas, mientras aún hay comercios, oficinas y fábricas en funcionamiento. En el ejemplo del día 18 de junio se aprecia cómo la demanda va variando a lo largo del día, dándose el momento de máximo consumo sobre las 13:00 h, con un mínimo consumo sobre las 4:00 h. Estos datos no son casuales o específicos del día en el que se tomaron, sino que la curva de demanda, aunque varía, lo hace dentro de ciertos parámetros conocidos por la experiencia. La razón de esto hay que buscarla en los patrones de consumo de los principales segmentos de consumidores, los cuales no varían drásticamente en cortos intervalos, sino que son más bien estables y predecibles debido las tendencias que van mostrando a lo largo del tiempo: •

•

•

Ciclos de consumo en sector residencial: iluminación, consumo de televisión, lavadoras y electrodomésticos, etc. Horarios del sector terciario (oficinas y servicios): horario de entrada y salida, periodos de máximo consumo de calefacción y aire acondicionado, etc. Patrón de consumo industrial y sector primario.

En la gran mayoría de los casos, los principales consumidores de energía eléctrica son los sectores industrial y residencial. El primero se caracteriza por un pequeño número de consumidores con un elevado consumo y, el segundo, por un elevado número de consumidores con un bajo consumo eléctrico. La demanda eléctrica no solo tiene patrones diarios, sino que también se aprecian fluctuaciones dependiendo del mes, año, etc., como muestran las Figuras 5.2 y 5.3. Si se plantea la curva agregada mensual de demanda eléctrica durante varios años (Figura 5.4), se ve reflejada la estacionalidad del consumo en el año, así como su clara tendencia alcista a largo plazo. Respecto a la influencia de la demanda en el precio de la energía eléctrica, debe indicarse que existe una evolución de los precios del mercado diario de la energía eléctrica que en un mismo día puede variar de 5 a 1, o a veces incluso más entre los precios de las horas punta de mayor demanda a los precios mínimos. En definitiva, los costes reales incurridos en atender la demanda eléctrica derivan básicamente de cuánto se consume, y de cuándo se consume. Y, por tanto, existen importantes programas de gestión de la demanda eléctrica que se centran en la optimización relativa de estos dos parámetros. La producción de energía en España en 2007 alcanzo los 312.663 millones de kWh con un incremento del 3%, respecto al 2006. El consumo neto de energía fue de 267.608 millones de kWh y experimento un crecimiento del 2,7 %, con un crecimiento acumulado de un 53,6% en los diez últimos


75

Figura 5.4. Evolución mensual de la demanda de energía eléctrica en barras de central (GWh). Extracto de Sistema Eléctrico Español 2005. Fuente: REE.

años. El consumo de 2007 se repartió en un 48,1% en baja tensión y un 51,9 en alta, y por sectores la industria y construcción el 36,9 %, comercio y servicios el 32%, y el residencial el 31,1%.

LOS PICOS DE DEMANDA EN EL SISTEMA ELÉCTRICO ESPAÑOL Como se observa en cualquiera de las últimas figuras hay una importante variación de la demanda eléctrica que hay que cubrir con las diversas centrales de producción, unidades de transformación y red de distribución. Todas estas instalaciones por tanto deben estar sobredimensionadas para hacer frente a los máximos de la demanda y así asegurar un mínimo en la calidad y seguridad del suministro. En consecuencia, el sistema eléctrico necesita mantener un cierto índice de cobertura de la demanda, es decir, un margen entre la potencia eléctrica instalada disponible en las centrales y el pico de demanda eléctrica previsto. Esto implica que parte de las instalaciones de generación, así como redes de transporte y distribución, solo se requieran para cubrir los picos de demanda. El resto del tiempo estas infraestructuras están sin utilizar, y no solo están improductivas, sino que a fin de estar preparadas para entrar a cubrir las puntas, consumen importantes recursos en operación y mantenimiento. A modo de ejemplo cabe destacar que en todo 2005, en España, una potencia instalada aproximada de 4.000 MW (el equivalente a cuatro centrales nucleares) solo generó electricidad durante aproximadamente 100 h a lo largo de todo el año.

De los datos entre 2000 y 2005, la demanda total había aumentado un 26%, pero en cambio las puntas habían crecido un 31%, como se desprende de la Figura 5.5. Si el incremento de puntas de demanda en el conjunto del sistema español resultaba significativo, el aumento en regiones concretas, como Sevilla o la Comunidad Valenciana, rompieron todas las previsiones. La red de distribución en ciertas zonas estaba próxima a la saturación, y los disparos e interrupciones de suministro eran una realidad que preocupaba a los responsables del sistema y a la sociedad en general. Los picos en la demanda eléctrica, en definitiva, estaban y continúan creciendo por encima de la demanda anual acumulada. La consecuencia directa es que el sistema eléctrico español, tanto en generación como en transporte y distribución, tiene cada vez mayor necesidad de renovarse y ampliar su capacidad para atender las puntas.

COBERTURA DE LA DEMANDA La programación horaria operativa, para realizar la cobertura de la demanda, también se observa en la línea escalonada roja de la Figura 5.6, es la producción programada para los grupos de generación a los que se ha adjudicado el suministro de energía en la casación de los mercados diario e intradiario, así como en los mercados de gestión de desvíos y regulación terciaria. Estos dos últimos son gestionados por Red Eléctrica como operador de sistema (OS) teniendo en cuenta la evolución de la demanda.

76


Figura 5.5. Evolución de los picos de demanda entre 1999 y 2007 y potencia de generación instalada en régimen ordinario en territorio peninsular para cubrirla.

El gráfico de demanda de electricidad por intervalos permite, además, analizar la demanda peninsular durante diferentes intervalos temporales y ayuda a regular comportamientos homogéneos en la demanda diaria. En la Figura 5.6. se muestra el detalle de la estructura de generación diaria en tiempo real para realizar la cobertura de la demanda, concretamente la del mismo día 18 de junio en que se ha visto la curva de demanda. En esta figura se indica la aportación de cada tecnología o componente de

generación a la cobertura de la demanda en tiempo real. Durante un intervalo de treinta horas, cada diez minutos se suministran los datos de potencia generada por cada componente. En la página original de la web, si se pone el puntero del ratón sobre cada curva sale una indicación que refleja el porcentaje que dicha potencia representa sobre el total de la demanda. La gráfica tiene dos áreas de representación diferenciadas: •

Las tecnologías que están situadas por encima del eje de cero MW de potencia, que

Figura 5.6. Curvas de estructura de la generación eléctrica del 18 de junio 2008 según tecnología, para cubrir la demanda de este día (Fuente: REE).


•

son aquellas que se utilizan para cubrir la demanda peninsular. Las tecnologías por debajo del eje de cero MW de potencia, que constituyen la producción hidráulica y los intercambios internacionales, y que no son utilizadas para cubrir la demanda peninsular, sino para la exportación y para los consumos de bombeo.

Red Eléctrica Española tiene líneas de interconexión comerciales con Francia, Portugal y Marruecos, y realiza intercambios programados de energía en función de las necesidades de cada momento. En la gráfica de la Figura 5.6 las exportaciones se dibujan siempre por debajo de la línea de cero MW, con saldo negativo, mientras que las importaciones se dibujan por encima de dicha línea, igual que el resto de tecnologías. En el área de saldos negativos se puede encontrar, en numerosas ocasiones la producción hidráulica correspondiente a los consumos de bombeo nocturnos. Es decir, centrales hidráulicas de bombeo que consumen energía eléctrica durante la noche, para elevar agua desde el vaso inferior de la central al superior, para más tarde, producir la energía necesaria que ayude a cubrir la demanda. En general, la cobertura de base se realiza con energía nuclear y eólica y con una potencia bastante constante en el caso de la nuclear. La cobertura de base y valle se cubre con las termoeléctricas de combustibles fósiles de carbón y ciclo combinado, y las de pico con la hidroeléctrica y en algunos casos con los sistemas de motores de fuel/gas. Las térmicas se reparten gran parte de la variación de la cobertura de la demanda, aparte de la cobertura de las puntas con la hidroeléctrica y algunos sistemas de fuel o gas de fácil arranque y parada. En algunas ocasiones las hidroeléctricas pueden ser utilizadas de base, caso de embalses llenos y con previsiones de nuevas lluvias. De las eólicas se aprovecha en todo momento toda su producción. En la Figura 5.7 se ha observado cómo se cubría la demanda para un día cualquiera. En la Figura 5.7 se detalla, porcentualmente, la cobertura promediada anual de la demanda del año 2007 según las distintas tecnologías. La demanda de energía eléctrica peninsular en este periodo se cubrió en un 79% por centrales pertenecientes al régimen ordinario, como se puede observar en la Figura 5.7,

77

porcentaje que representa casi un punto menos que en 2006, Por el contrario, las aportaciones procedentes del régimen especial llegaron al 21,2%, dos puntos más que el año anterior. El saldo de intercambios internacionales en 2007 fue también en un 2,2%, siendo el estado español exportador por cuarto año consecutivo. Sin embargo la información de la Figura 5.8 debe complementarse con la de la Figura 5.5, en la que se indica que la potencia instalada en muy superior a la punta horaria de demanda, llegando a los 61.498 MW a 31 de diciembre de 2007 en régimen ordinario en el territorio peninsular, y hasta los 85.698 MW si se incluye la generación de régimen especial (información de REE). El reparto porcentual de los tipos de tecnologías para alcanzar este último valor queda reflejado en la Figura 5.8. En esta se observa que el régimen especial alcanza el 28% de la potencia instalada, con un 16% del total en las eólicas, y le siguen las de ciclo combinado con el 25%. De la comparación de las Figuras 5.7 y 5.8, aunque se refieren a valores absolutos distintos, se extraen rápidamente algunas conclusiones:

Figura 5.7. Cobertura de la demanda anual en el año 2007 según tecnologías, incluidas las de régimen especial. Se incluye el saldo de las exportaciones internacionales que resta el 2,2% del total (Fuente: REE).

78


aumentar en 6.494 MW, de los que la mayor parte, 5.458 MW correspondieron a la entrada en servicio de once centrales de ciclo combinado y 2.439 MW fueron de energía eólica. Por otro lado, se dieron de baja 1.904 MW, que correspondieron mayoritariamente a grupos del fuel-gas.

Figura 5.8. Reparto de la potencia total instalada, 85.698 MW, en el territorio peninsular en 2007, entre las distintas tecnologías, incluidas las de régimen especial. (Fuente: REE).

•

•

La energía nuclear, a pesar de corresponderle una potencia instalada de un 9 %, realiza una cobertura de la demanda del 20%, ya que constituye una de las tecnologías de base, y con una potencia de producción muy constante. Situación bastante parecida presentan las centrales que utilizan carbón. En el otro extremo están las instalaciones de fuel/gas con una potencia instalada del 6% y en cambio solo cubren una demanda del 1%, ya que constituye una tecnología utilizada, en condiciones normales, solo para las puntas de demanda. La potencia instalada en 2007 se incrementó en un 8,2% respecto al año anterior, al

En resumen, se observa una elevada capacidad excedentaria destinada a atender puntas de demanda y dar seguridad y calidad de servicio, por lo que su tiempo efectivo de utilización resulta bajo. Debido a esto, los costes económicos, sociales y medioambientales de muchas de estas instalaciones, en especial las nuevas (plantas de generación, líneas de alta tensión, subestaciones, etc.), serán más difíciles de rentabilizar o justificar. La influencia de estos aspectos en el precio de la energía eléctrica se traduce en que el coste de cada MWh producido y distribuido al consumidor resulta elevado. Además, durante unas pocas centenas de horas anuales, en los momentos de máxima demanda, la energía eléctrica tiene unos costes económicos y sociales mucho más altos que en las horas de bajo consumo, también denominadas horas valle. El mercado eléctrico español está regulado de tal forma que la mayoría de los consumidores (sector residencial, pequeños consumidores, etc.) están sujetos a tarifas eléctricas fijas. Esto provoca que buena parte de los consumidores no sean conscientes de estas variaciones de precio que se producen en el mercado cada hora. Por lo tanto, en este aspecto, la respuesta de los consumidores no se encuentra incentivada hacia la racionalización y eficiencia global de la energía eléctrica. Como se comentará más adelante, este sistema de tarificación está en ciernes de cambiarse por la nueva tarifa de último recurso y de discriminación horaria que se comentara más adelante.

Gestión de la demanda eléctrica Todos los datos anteriores invitan a pensar que una adecuada gestión de la demanda de la energía eléctrica debe reportar importantes beneficios, ya que puede facilitar un consumo racional de la energía y, por lo tanto, su adecuación a los recursos

existentes, y en consecuencia reducir la necesidad de renovar la infraestructura y de arrancar centrales de generación innecesarias. Además, todo ello podría redundar en una reducción del coste de la energía y de las inversiones, permitiendo a las


empresas de distribución el ofrecer servicios más competitivos y de mayor calidad. Por gestión de la demanda eléctrica se entiende como el conjunto de diferentes medidas que persiguen influir en el consumidor para que se modifique su patrón de demanda, cuánto y cuándo consume, con el fin de lograr, no solo un ahorro neto de energía, sino también un uso más eficiente de la misma. Existen muchas posibles gestiones de la demanda, una de ellas es la definida por la Agencia Internacional de Energía (IEA). Esta organización distingue entre las actividades de gestión de la demanda eléctrica que afectan a la curva de demanda, es decir, desplazar las puntas hacia horas valle y las que afectan al nivel de consumo disminuyéndolo y promocionando el ahorro. Estas variables, según lo visto hasta ahora, afectan la forma de la curva de demanda. •

•

•

Reducir los picos de demanda, especialmente cuando el consumo se acerca a los niveles máximos posibles de generación en el sistema. «Mover» (posponer o adelantar) consumos de energía en el tiempo dentro de un día, una semana, un año, etc. «Rellenar» los valles de consumo para utilizar más eficientemente las fuentes energéticas disponibles.

De la misma manera, afectar el nivel de consumo comprendería lo siguiente: •

•

Reducir la demanda general en un contexto de suministrar los mismos servicios energéticos requeridos hasta ahora por los consumidores pero utilizando menos energía. Promover un crecimiento estratégico, principalmente a base de sustituir un tipo de suministro energético por otro con características más favorables, por ejemplo, en lo concerniente al impacto medioambiental.

A continuación, se ilustran algunos ejemplos de la gestión de la demanda: •

La promoción del uso de electrodomésticos energéticamente eficientes, los conocidos como clase A, con ayudas del tipo “plan Renove de electrodomésticos” que se han realizado en algunas comunidades como Cataluña, Madrid, etc.

•

•

79

La formación de alumnos y profesores en conceptos relacionados con la utilización eficiente y racional de la energía. Fomentar la utilización de lámparas de bajo consumo, promover la implantación de medidas encaminadas al ahorro energético en alumbrado público, y de agua en el hogar.

También se ha aplicado un plan Renove de maquinaria industrial, como el realizado en la Comunidad de Madrid: con esta actuación se pretendía promover inversiones en el sector industrial destinadas a la sustitución de equipos e instalaciones consumidoras de energía por otros de similares o mejores prestaciones con tecnologías de alta eficiencia o la mejor tecnología disponible con objeto de reducir el consumo energético y las emisiones de CO2. La Certificación Energética de Edificios también constituye una iniciativa que tiene su origen en la Directiva Europea 2002/91/CE, recientemente transpuesta a través del Real Decreto 47/2007, de 19 de enero de 2007, por el que se aprueba el procedimiento básico para la certificación de eficiencia energética de edificios de nueva construcción. Esta tiene por objeto favorecer la promoción de edificios de alta eficiencia energética y las inversiones en ahorro de energía, y está desarrollada en la Parte IV de esta obra sobre “La vivienda y el confort”. Su impacto sobre la demanda eléctrica (ahorros en calefacción, refrigeración, agua caliente sanitaria, iluminación y ventilación) se prevé gradual porque solo afectará a edificios nuevos o rehabilitados, pero reportará significativos y duraderos ahorros a largo/medio plazo. También existen programas de iniciativa privada, si bien en España las experiencias en este campo están por desarrollarse fuera del sector industrial. En Europa y EE UU existe ya un amplio sector productivo basado en el negocio de la promoción de proyectos de eficiencia energética para los sectores doméstico y de oficinas. En países como Italia, Francia o Reino Unido, existen unos instrumentos financieros llamados certificados blancos, que análogamente a los certificados de emisión de gases de efecto invernadero, remuneran la promoción de la eficiencia energética. En estos países, las compañías comercializadoras de gas y electricidad están obligadas a obtener un cupo determinado de certificados blancos en función de su volumen. Estos certificados solo se obtienen mediante la eje-

80


cución y certificación de acciones y proyectos de ahorro de energía. Los certificados blancos pueden obtenerlos cualquier agente cualificado, que a su vez podrá vendérselos a las compañías mediante un mercado creado al efecto (Reino Unido) o mediante acuerdos bilaterales. La tarifa nocturna (tarifa 2.0N) en España, estaba orientada al consumidor doméstico y pequeño comercio, era una modalidad de contratación para potencias menores de 15 kW, en la que los consumos nocturnos se facturaban a mitad de precio que los diurnos. En septiembre de 2005, de los aproximadamente 24 millones de consumidores en baja tensión, poco más de un millón tenían tarifa nocturna. Esta tarifa ha desaparecido por ley, ya que el Gobierno va a estructurar una tarificación mucho más compleja, que tendrá en cuenta los distintos precios de la electricidad según la hora de su consumo, a través de contadores electrónicos, y que se explicará en próximos apartados. Red Eléctrica Española tiene operativo un programa de interrumpibilidad para grandes clientes industriales. Los participantes disfrutan de tarifas reducidas durante el año, a condición de reducir obligatoriamente su consumo bajo petición. REE tiene una cartera de clientes con 3.700 MW de capacidad interrumpible que le permite modular algunas puntas de demanda. En distintos países se realizan auditorías energéticas gratuitas y subvenciones para medidas de ahorro de energías. El distribuidor Network Avoidance (Reino Unido) regalaba dos bombillas de bajo consumo por vivienda o por pyme, o también realizaba ofertas

especiales de instalación de aislamiento en tejados, así como mejora de sellado y permeabilidad a los agentes metereológicos. ENEL, la compañía eléctrica más grande de Italia, estuvo sustituyendo gratuitamente los contadores eléctricos convencionales de sus clientes por otros digitales y con capacidades avanzadas de telegestión y telecontrol. El coste del cambio era de unos 70 € por contador, y para finales de 2006 estaba previsto finalizar la instalación de los 29 millones de nuevos contadores. Con el nuevo contador cada cliente puede gestionar todos los aspectos de su contrato y conocer su consumo en tiempo real. Estos equipos permiten el lanzamiento de nuevos servicios, así como la oferta de multitud de nuevas tarifas con precios variables según la hora o día, etc. Esta vía es la que ya se ha iniciado en España con el Real Decreto 1110/2007. En este contexto, de importantes cambios y toma de decisiones, la gestión de la demanda eléctrica puede valerse de los nuevos desarrollos para contribuir de manera eficaz a una gestión y una utilización más eficiente de los recursos energéticos. El empleo de este tipo de medidas en España es aún limitada en comparación a la de los países más avanzados en este campo. Sin embargo, esto no significa que su aplicabilidad sea menor o su impacto menos importante. La gestión de la demanda eléctrica es, sin duda, parte del camino que el sistema eléctrico tiene que recorrer hacia una mayor flexibilidad y sostenibilidad para cumplir con los retos existentes en la actualidad, tanto a nivel técnico como a escala social.

Legislación vigente para la regulación de la demanda Hay varias disposiciones legislativas para regular la demanda y la cobertura de la demanda, sin embargo por su importancia en este apartado solo se comentarán parcialmente la Resolución de 17 de marzo de 2004, la Resolución de 24 de mayo de 2006, la Ley de 17/2007, y el RD 1110/2007, estos dos últimos afectan a la tarifa eléctrica y por tanto de una forma indirecta a la demanda.

RESOLUCIÓN DE 17 DE MARZO DE 2004 Esta resolución de la Secretaría de Estado de Energía, Desarrollo Industrial y Pequeña y Mediana Empresa, modificaba un conjunto de procedimientos de carácter técnico e instrumental necesarios para realizar la adecuada gestión técnica del sistema eléctrico que afectaba a la demanda, su cobertura, mantenimiento de la red, gestión de las conexiones internacionales.


RESOLUCIÓN DE 24 DE MAYO DE 2006 En esta resolución se define el proceso de previsión de la cobertura de la demanda eléctrica y el uso de los recursos de producción, así como de las reservas hidroeléctricas, con diversos horizontes, desgloses y periodicidades, y evaluación del margen de garantía de seguridad de abastecimiento del sistema eléctrico a corto y medio plazo. Este procedimiento es de aplicación para el Operador de Sistema (OS) y para los Sujetos del Mercado (SM). Actualmente Red Eléctrica de España, es el operador del sistema, además del gestor de la red de transporte. En la Orden de 17 de marzo de 2004 se hacía referencia directa de Red Eléctrica Española en vez del OS del RD del 2006. Se prevé, entre otros aspectos, que para la cobertura, Red Eléctrica elaborará mensualmente una previsión de cobertura de la demanda del sistema con un horizonte anual móvil, desglosado por meses.

LEY 17/2007 DE 4 DE JULIO DE 2007

•

•

•

•

Esta ley modifica la Ley 54/1997 de 27 de noviembre, del Sector Eléctrico, para adaptarla a la Directiva 2003/54/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 26 de junio de 2003, sobre normas comunes para el mercado interior de la electricidad. En esta ley se establecen 74 modificaciones de la Ley 54/19997, que afectan a todas las actividades destinadas al suministro eléctrico y a las funciones de los distintos organismos reguladores del sector eléctrico, entre las que cabe destacar: •

Se determina que el 1 de enero de 2009 desaparece el sistema tarifario integral y se establece la “tarifa de último recurso”, que será fijada por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio y a la que podrán acogerse todos los consumidores durante 2009. La tarifa de último recurso son precios máximos establecidos por la Administración para determinados consumidores, para quienes se concibe el suministro eléctrico como servicio universal, tal como contempla la directiva. Esta actividad se realizará por las empresas comercializadoras a las que se imponga tal obligación, quienes la

•

•

81

deberán llevar a cabo con separación de cuentas, diferenciada de la actividad de suministro libre. A partir del 1 de enero de 2010 solo podrán permanecer acogidos a la “tarifa de último recurso” los suministros en baja tensión, y desde 2011 solo podrán acogerse a estas tarifas los consumidores de potencia contratada inferior a 50 kW. A partir del 1 de enero de 2009 el suministro pasan a ejercerlo en su totalidad los comercializadores en libre competencia, y son los consumidores de electricidad quienes eligen libremente a su suministrador. Se crea la oficina de cambio de suministrador, nuevo ente de carácter mercantil al que se le encomienda el control de los procesos de cambio de suministrador. Las empresas distribuidoras pierden su capacidad de vender electricidad a tarifa, que pasa a ser función de un nuevo sujeto, el comercializador de último recurso, a partir del 1 de enero de 2009. Se realiza una diferenciación en la red de transporte, en la que se introduce una separación entre transporte primario y secundario, y se redistribuyen y clarifican las competencias administrativas para la autorización de estas instalaciones, estableciendo la competencia de la Administración General del Estado para la autorización de estas instalaciones. Además el régimen económico de las acometidas eléctricas se asigna a las comunidades autónomas dentro de los límites básicos que establezca el Gobierno. Como actividad regulada que es el transporte, con carácter de monopolio natural, se asigna en régimen de exclusividad esta figura de transportista a una única sociedad. Para diferenciar las funciones destinadas a asegurar el suministro de energía eléctrica, se crea una unidad orgánica específica encargada de desarrollar las funciones de operador del sistema y gestor de las redes de transporte dentro de Red Eléctrica de España, S. A. Esta medida adicional garantiza la independencia funcional y de ges-

82


tión de esta actividad, de la actividad que Red Eléctrica de España, S. A. ejerce como transportista.

REAL DECRETO 1110/2007 DE 24 DE AGOSTO DE 2007 Este R.D. del Ministerio de Industria aprueba el reglamento unificado de puntos de medida del sistema eléctrico. Este consta de 32 artículos y 4 disposiciones transitorias. En síntesis este R.D. establece que los nuevos contadores, para productores y consumidores, deberán tener discriminación horaria y sistema de telegestión, en muchos casos bidireccional, para poder realizar una tarificación horaria de acuerdo con los coste real de la electricidad, e incluso al

ser bidirecional limitar la carga en situaciones criticas. Este sistema permitirá, además, que la estructura de precios de la energía tenga como referencia los costes reales de suministro, haciendo posible que la demanda de electricidad pueda desempeñar un papel mucho más activo en el funcionamiento del mercado eléctrico. A forma de comentario, este artículo ratifica que las viviendas deberán tener un tipo de contador de los que se conocen como electrónicos y que permitan realizar una facturación con discriminación horaria. Además en este R.D. se determina, parcialmente, las bases de como se realizara el cambio de contador.

Perspectiva europea sobre la seguridad de suministro y la demanda La Comisión Europea realizó un análisis para conocer la estrategia a seguir para garantizar la seguridad de suministro (Towards a EU strategy for the security of energy supply, COM (2002) 321), en el año 2003, una de cuyas conclusiones fue la siguiente: «Existen pocas posibilidades para actuar en el suministro y por consiguiente, la estrategia a seguir consiste en la actuación sobre la demanda». Entre las medidas a adoptar se encuentra la directiva sobre uso eficiente de la energía y servicios

energéticos (Directive on energy end-use efficiency and energy services, COM (2003) 739) que estimaba que, debido a las múltiples barreras e imperfecciones que todavía existían, y aún continúan, en el mercado eléctrico, muchas de las posibilidades de ahorro en la utilización de energía se encontraban aún sin explotar. En el sector industrial se estimaba un potencial de ahorro del 17% respecto al consumo anual final, que podría conseguirse para el año 2010. Mientras, en el sector doméstico y terciario las posibilidades se estimaban en un 20%.

Coste de generación de la electricidad. Coste real de generación

6

EL COSTE REAL DE GENERACION DE ELECTRICIDAD ES SUPERIOR AL PRECIO DE VENTA • •

•

• •

• •

EE UU consume cerca del 25% de la electricidad mundial. Los costes más bajos de la energía eléctrica en los bornes de conexión del usuario, sin los costes del CO2, corresponden a la energía hidroeléctrica y la del carbón, seguida de la cogeneración. Las dos últimas quedan penalizadas en el caso de los costes de CO2, aunque continúan siendo competitivas. En el caso de la cogeneración habría que ponderar el coste del calor, que no siempre se recupera. El coste más elevado corresponde al del ciclo fuelóleo-gas, seguido de la eólica, esta con una franca tendencia en la disminución de los costes de inversión. La nuclear y de ciclo combinado tiene un coste intermedio entre estos dos anteriores grupos. La nuclear viene penalizada por la elevada inversión de la instalación, que en parte compensa el coste del combustible, que desde el punto de vista energético resulta más económico incluso que el carbón. La tarifa eléctrica, que paga el usuario se compone de: coste de generación propiamente dicho (que está alrededor del 65% de la tarifa), transporte y distribución (18%) y el resto (que comprende los regímenes especiales de los archipiélagos, las primas a las renovables, etc.). Existe un desfase entre el coste real y la tarifa que da lugar al déficit tarifario. En España, este desfase, provocó un déficit de 4,050 M€ solo en 2006. Esta situación continuada desde hace algunos años ha dado lugar a un déficit tarifario de más de 15.000 M€ a finales de 2007. Tal dato representaba que los más de 26.000.000 abonados de las compañías eléctricas de España deben, en promedio, cerca de 600 € cada uno, ya que la electricidad es más cara de lo que se paga, entre un 30% y un 40%. La paulatina incorporación del coste de corrección ambiental incrementará la tarifa eléctrica lo que hará que cada vez sea más competitiva la energía renovable. El actual modelo basado en las energías fósiles provocará que cada año el coste de la tarifa eléctrica sea mayor.

84


Introducción La electricidad es una energía secundaria generada a partir de otros tipos de energía. Su fácil transformación en otras formas de energía y su sencillo transporte a largas distancias ha hecho que sea una energía clave en la actualidad. El principal problema es su almacenamiento a gran escala. En la Tabla 6.1. se muestra el consumo mundial de energía eléctrica. Se observa que EE UU es el país que consume una mayor cantidad de electricidad, alcanzando un 22,4% del total mundial en el año 2005. Le siguen como principales consumidores China y Japón. En estos últimos años (2001-2005) España está situada en el treceavo lugar en cuanto a consumo de energía eléctrica, por detrás de Italia (Corea del Sur en 2001) y por delante de Australia, según información de la EIA. En España, el 22,4% de la generación de energía eléctrica correspondiente al año 2001 provino de fuentes renovables. La elevada hidraulicidad de ese año permitió el aumento del peso de las ener-

gías renovables en la generación de electricidad. Este valor no es el habitual, según puede observarse en la Tabla 6.2, así en 2007 solo alcanzo el 20,3%, a pesar del aumento de instalaciones de generación de EE RR. Conviene señalar que si bien la Tabla 6.2, cita tan solo energías renovables, muchos autores no están de acuerdo con esta nomenclatura, ya que ello supone incluir en este epígrafe la energía hidráulica a gran escala, que de hecho representaría un 95% de las renovables. También hay que hacer notar que los valores referentes a España de la Tabla 6.1 son distintos que los de la Tabla 6.2 ya que una se refiere al consumo y la otra a la generación, y además pertenecen a fuentes distintas. La Tabla 6.3 muestra el coste de generación de electricidad en España en 2006 según el sistema de generación utilizado. Las dos primeras filas de la Tabla 6.3 corresponden al coste en euros por cada MWh de energía usada y al número de horas por año utilizadas

Tabla 6.1. Consumo mundial de energía eléctrica (en 109 kWh) por países, entre 1988 y 2005. (Fuente: Entre 1988 y 2000, International Energy Annual, US Department of Energy, y entre 2001y 2005. Energy Information Administration) País

1988

1990

1992

1994

1996

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

Canadá

424,8

435,1

445,8

458,1

478,2

479,1

492,7

509,9

505,1

512,7

528,1

533,9

540,2

EE UU

2.578,1

2.816,8

2.885,6

3.068,7

3.247,0

3.425,6

3.494,6

3.604,8

3.557,0

3.631,6

3.662,0

3.715,9

3.815,7

Argentina

52,6

45,7

57,8

57

65,4

74,1

77

81,5

75,4

72,4

79,2

83,5

89

Brasil

214,9

228,6

246,3

271,7

307,2

334,3

344

58,7

304,4

318,5

336,6

353

368,5

Francia

307,9

324,3

353,3

357,5

382,1

392,2

398,4

405,9

421,9

420,9

438,5

448,5

451,5

Alemania

508,1 (*)

484,6 (*)

463,4

463,5

478,7

484,7

484,3

501,7

527,9

520,4

531,4

539,7

545,5

España

119,3

133,4

139

144,3

155,1

174,7

187,7

200

207,5

215,1

223,9

233,1

243

Reino Unido

280,5

286,2

293,3

297,2

319

330

335,9

341,5

338,9

340,5

342,9

341,4

348,7

Australia

121,4

135,6

140,5

147,5

156,5

172,7

179,2

186,3

189

198,6

199,9

211

219,8

China

483,1

550,9

670,6

816,5

927,2

1.019,5

1.083,7

1.188,8

1.297,8

1.446,2

1.675,5

1.934,7

2.197,1

India

214,4

257,1

295,1

341,9

385,4

439,4

469,4

477,5

383,1

403,7

428,2

457,4

488,5

664,2

749,8

797,9

857,9

899

926,7

945,3

943,9

930,5

949,9

936,7

965,9

974,2

Total Mundo

9.835

10.166

10.829

11.338

12.116

12.760

13.116

13.629

13.934

15.250

15.837

16.565

17.036

(*) Consumo conjunto de Alemania Federal y Alemania Democrática.

85

Coste de generación de la electricidad. Coswte real de generación

Tabla 6.2. Estructura de generación de energía eléctrica en España entre 1998 y 2004 (Fuente: Ministerio de Economía), 2006 y 2007 (Fuente: Secretaría General de Energía, Ministerio de Industria, Turismo y Comercio). 2001

1998

1999

2000

2003

2004

2006

2007

GWh

%

GWh

%

GWh

%

GWh

%

GWh

%

GWh

%

GWh

%

GWh

%

63.480

32,4

75.491

36

80.533

35,8

71.817

30,4

74.864

30,5

79.209

30,8

67.763

22,4

74.656

23,9

18.029

9,2

23.723

11,3

22.623

10,1

24.648

10,4

23.614

9,61

23.986

9,31

23.899

7,9

21.270

6,8

Gas natural

14.960

7,6

19.077

9,1

21.045

9,4

22.953

9,7

41.059

16,7

55.759

21,7

93.954

31,0

98.060

31,4

Nuclear

59.003

30,1

58.852

28,1

62.206

27,7

63.708

27

61.875

25,2

63.606

24,7

60.126

19,8

55.102

17,6

EE RR

40.702

20,8

32.304

15,4

38.412

17,1

52.991

22,4

44.417

18,1

34.943

13,6

57.223

18,9

63.455

20,3

TOTAL

196.174

100

209.447

100

224.819

100

236.117

100

245.829

100

257.503

100

302.965

100

312.543

100

de la instalación. La sexta fila se refiere al coste marginal de generación, como adición de las filas tercera, cuarta y quinta. A destacar el coste de calor recuperado en cogeneración de -23,07 €/MWhe, que no siempre es posible recuperar. Evidente-

mente el coste marginal más bajo corresponde a la energía hidroeléctrica y eólica por el nulo coste del combustible, mientras que los costes más elevados corresponden a la generación con ciclo de fuelóleo-gas, la cogeneración y ciclo combinado.

Tabla 6.3. Costes de generación de electricidad en 2006. CARBÓN

NUCLEAR

C. FUEL-GAS

C. COMB.

HIDRO.

EÓLICA

COGEN.

1. PRECIO COMBUSTIBLE (€/ MWhPCI)

8,75

4,10

27,59

25,04

0,00

0,00

25,04

2. HORAS DE OPERACIÓN (h/año)

7.000

7.000

7.000

7.000

3.500

2.200

7.000

3. COSTE COMBUSTIBLE (€/MWhe)

21,34

12,06

55,18

45,54

0,00

0,00

65,91

4. COSTE CALOR RECUPERADO (€/ MWhe)

0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

-23,07

5. O/M TOTAL (€/MWhe)

6,56

10,01

6,25

3,65

9,28

9,18

8,30

6. COSTE MARGINAL DE GENERACIÓN (€/MWhe)

27,90

22,07

60,43

49,19

9,28

9,18

51,14

7. CARGA CAPITAL (€/MWhe)

18,46

41,95

15,10

9,56

45,46

65,74

15,03

8. COSTE BORNAS PLANTA (€/ MWhe)

46,35

64,02

75,54

58,75

54,74

74,92

66,17

9. PÉRDIDAS TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN (€/MWhe)

3,28

1,80

2,28

1,75

2,41

3,30

3,01

10. COSTES DE TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN (€/MWhe)

13,38

13,38

13,38

13,38

6,18

8,09

0,00

11. COSTE EN BORNAS DE USUARIO sin CO2 (€/MWhe)

63,01

79,19

91,19

73,88

63,34

86,31

66,03

12. COSTES CO2 (€/MWhe)

9,02

0,00

5,60

3,64

0,00

0,00

5,26

13. COSTE EN BORNAS DE USUARIO, con CO2 (€/MWhe)

72,04

79,19

96,79

77,51

63,34

86,31

71,29

Cambio ($/€) Precio barril de brent ($/bbl) Precio G.N (€/MWhPCI)

1,25

RE (%)

38,00

60

RG (%)

80,00

25,04

REE (%)

71,25

Precio de venta del CO2 (€/t CO2)

10

!

10

1kV
25,00

" #&'*!

800,00

86


En la octava fila se ha tenido en cuenta el coste del capital invertido, donde destacan los elevados costes por este concepto de la eólica, la hidroeléctrica y la nuclear. En las filas 11 y 13 se presentan los costes de la energía en los bornes de conexión del usuario, respectivamente sin y con los costes del CO2, según el Protocolo de Kyoto. Los costes más bajos, sin los costes del CO2, corresponden a la energía hidroeléctrica y la del carbón, seguida de la cogeneración. Las dos últimas quedan penalizadas en el caso de los costes de CO2, aunque continúan siendo competitivas. En el caso de la cogeneración habría que ponderar el coste del calor, que no siempre se recupera, o es posible usar. El coste más ele-

vado corresponde al del ciclo fuelóleo-gas, seguido de la eólica. Esta última está en plena evolución de la carga de capital, con máquinas cada vez de mayor potencia y más eficientes, con lo que están bajando significativamente los costes. No tardará mucho en que a estos costes habrá que contabilizar la paulatina incorporación del coste de corrección ambiental, que incrementará más la tarifa eléctrica, aparte del aumento del precio de los combustibles, lo que hará que cada vez sea más competitiva la energía renovable. En la Parte VII de esta obra se amplían y justifican extensamente estos costes.

El coste de generación y la tarifa de energía eléctrica en España La tarifa promedio que pagaron los abonados de la electricidad en España en 2006 fue de 77,6 €/MWh. Esta era deficitaria, según la información dada por la Secretaría General de Energía del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, debido a que se impuso una tarifa inferior a los costes reales de generación, existiendo un margen de comercialización negativo. Esta tarifa es la denominada “tarifa actual” en la Figura 6.1, mientras que la tarifa que hubiera equilibrado los costes es la “tarifa de equilibrio”, que hubiera corregido el margen de comercialización negativo. A fin de tener el valor de generación acorde con

el coste y como la tarifa no cambió de valor en 2006, se repercutió todo el déficit sobre el “acceso”, que teniendo en cuenta además los costes de financiación, 4,2 €/MWh del citado déficit, dio lugar a la llamada “tarifa aditiva”, cuyo valor o precio medio necesario para el año 2007 ascendía a los 102 €/MWh. Estas cifras quedan reflejadas en la Figuras 6.1 y 6.2. La “tarifa aditiva” permitió una transición gradual hacia el modelo de la Directiva 2003/54/CE sobre el desarrollo de un mercado libre, pasando de un 75% del mercado a tarifa y un 25% de mercado libre en 2006 a un 50% de cada en 2007.

Figura 6.1. La ”tarifa actual” de la energía eléctrica en 2006, con un déficit en la generación y el traslado de este déficit al acceso en la «tarifa aditiva» de 2007.

Coste de generación de la electricidad. Coswte real de generación

87

Figura 6.2. Desglose de la ”tarifa aditiva” o precio medio necesario de la energía eléctrica en el 2007, y precio medio de la tarifa de 2006 también llamada “tarifa actual” en la Figura 1.22.

En 2006 el sistema tarifario español fue deficitario respecto a los costes reales, como se ha comentado en el apartado anterior. La insuficiencia recaudatoria fue tal, que se tradujo en un importante déficit de ingresos sobre los costes provocando un déficit en el sistema. Por otra parte, la trasposición de la Directiva 2003/54/CE obligaba a la transición de las tarifas en España. El sistema de las tarifas aditivas permitiría una transición gradual hacia el modelo de la citada directiva, desarrollando un mercado libre.

Figura 6.3. Evolución del déficit tarifario con incrementos del 3% y el 6%.

Previsiblemente la subida del 3% anual en las tarifas desde 2007 a 2010, conduciría a un crecimiento explosivo de la deuda acumulada del sistema. Esta pasaría de 9.340 M€ en 2007 a 19.740 M€ en el año 2010, debido a que continuarían los costes por encima de los ingresos, con el correspondiente déficit anual, que pasaría de los 4.045 M€ en 2007 a unos 3.178 M€ en 2010, (véase Figura 6.3). Para solucionar el problema del déficit, era necesaria una subida del 6% anual durante cuatro

88


años, de 2007 a 2010, Figura 6.3, y si hubieran circunstancias favorables, cambios sustanciales en el coste de la energía y/o bonanza metereológica, la disminución del déficit podría adelantarse, o retrasarse en el caso contrario. Aun con estos aumentos la deuda empezaría a disminuir a partir de 2010. De todo ello se colige que con un incremento del 6% las tarifas no se equilibrarán. Para comprender el origen del desajuste hay que conocer su origen. A finales de año el Gobierno elabora un precio de venta de la energía, ya que se trata de un servicio público, la denominada tarifa “ex-ante” de acuerdo con el mix de generación previsto (aproximadamente se compone de: 64% coste real de generación, 18% coste de distribución y 18% sistema especial en los archipiélagos y regímenes especiales). Transcurrido el año se calcula la tarifa “ex-

post” con los costes reales. Se constata que existe un gran desfase entre el previsto “ex-ante” y el real “ex-post” que da lugar al régimen tarifario que se va acumulando año tras año. Es evidente que la situación no puede prolongarse indefinidamente, por lo que es preciso adecuar el pago al coste real, sabiendo que ello puede afectar a la competitividad de algunas empresas. A pesar de los incrementos en los precios durante el año 2007, existía una deuda acumulada del orden de los 15.000 a finales de 2008. Lo que representaba que los mas de 26 millones de abonados de las compañías eléctricas en España debían, en promedio, cerca de 600 € cada uno, y que la electricidad es más cara, entre un 30% y un 40% más de lo que se paga. A finales de 2008, el 44,4% del déficit estaba cedido a terceras empresas y el restante estaba financiado por las empresas reguladoras.

El ahorro de energía

7

LA EFICIENCIA DE LAS CONVERSIONES ENERGÉTICAS SON MUY BAJAS • • •

• • • • •

•

•

• •

A escala mundial se calcula que solo un 44% de la energía primaria se convierte en energía útil. En el caso de España, y en valores de 2006, el valor medio es del 35%. El 46,5% de las pérdidas se producen en la generación y distribución de energía eléctrica. España ocupa un lugar de “cola” en el ranking de eficiencia para la generación de electricidad con 0,48 g CO2/kWh, frente a los 0,04 g CO2/kWh de Suecia, o los 0,08 g CO2/kWh de Francia. Entre 1980 y 2006 el consumo de energía final se ha duplicado en España. El aumento de la población y el crecimiento económico han propiciado, en España, un fuerte aumento de la intensidad energética. Solo en Cataluña, la suma de los residuos orgánicos que terminan en el vertedero, podría aportar un 15% de la energía primaria. Con un clima como el del Levante y Sur de España, la energía termosolar podría aportar el 60% de la energía eléctrica al país. Los principales objetivos para la gestión de la energía son: ahorro energético optimizando procesos, adopción de tecnologías que permitan incorporar energías renovables y ambientalización de los procesos. El objetivo general de la UE es el ahorro del uso de la energía final el 1% anual, los sectores públicos deberán contribuir al menos con el 1,5%, y los distribuidores al por menor integrarán servicios de energía hasta cubrir el 5% de su clientela. Tendencias de ahorro energético en otros países de la UE: viviendas de alto rendimiento energético y calefacción solar. En España existe una propuesta de ordenanza municipal sobre captación solar para el aprovechamiento de la energía solar térmica en las viviendas, y sobre todo el cumplimiento del nuevo CTE. En España existen 1.800 millones de m2 entre tejados, fachadas y cerramientos susceptibles de provocar pérdidas importantes de calor en el sector de la vivienda. En la industria se propugna la implantación de sistemas de recuperación de calor y cogeneración en múltiples procesos. Estos representan una medida medioambiental, un ahorro de energía y además son rentables.

90


Introducción El despilfarro y la ineficiencia son una realidad incuestionable en el marco energético. En el Capítulo 2 se mencionaba un rendimiento del 41% (muy aceptable) en la generación de electricidad. A estos rendimientos en energía primaria seguían pérdidas en los sistemas de distribución y las pérdidas de las industrias etc. En el ámbito mundial, en 2005 el mix de energías primarias fue: 40,2% de petróleo, 22,9% de carbón, 22,7% de gas natural, 8,15% nuclear, y entre las renovables, el 2,8% biomasa, 2,7% la hidráulica, 0,3 % la geotérmica, 0,15% eólica y 0,006% la solar. Este mix no solo es contaminante, sino que fue utilizado de forma escandalosamente ineficiente, de forma que solo el 44% dio lugar a energía útil, y el resto (56%) son pérdidas. La generación, distribución y transmisión de electricidad acaparó un 46,5% de pérdidas, el transporte un 38,3%, la industria un 8%, el sector residencial un 4,2% y el comercial un 3%. Es evidente que la Figura 7.1 señala los sectores en los que mas se debería incidir: en la generación y distribución de electricidad y en el transporte. Estos valores obligan a una mejora tecnológica para aumentar la eficiencia energética, y asegurar la cantidad y calidad de los servicios energéticos minimizando las pérdidas, especialmente en los más contaminantes. La Agencia Internacional de la Energía en 2006 ya advirtió que el 78% del total de CO2 que se podría dejar de emitir en el horizonte de 2030 debe provenir de la aplicación de políticas

de eficiencia, frente al 12% logrado a partir de la sustitución de combustibles fósiles por renovables, y el 10% resultante de una decidida apuesta por el retorno de la energía nuclear. En el mundo solo una de cada diez empresas controla totalmente el impacto de sus emisiones de CO2, según un estudio titulado A Change in the Climate realizado en 2007 por Economist Intelligence Unit. En este se indica que solo el 18% de las empresas mide su eficiencia energética. Aunque algunas sí están tomando medidas. Así, casi una de cada cinco tiene un plan para reducir el impacto del CO2 y otro 28% espera tenerlo operativo antes de 2010. Un 35% de las empresas encuestadas han reducido, o piensan hacerlo, minimizando sus viajes en avión; el 54% practican actividades de conducta del individuo, como cerrar las luces o el ordenador antes de salir de la oficina. Una de cada cuatro empresas tiene una persona con responsabilidad sobre la eficiencia energética, y otro 12% espera tenerla en los próximos tres años. Este estudio pone de manifiesto el importante papel de las normas gubernamentales para que las empresas acepten su responsabilidad en materia de emisiones. No se cree que la reducción de emisiones comporte un coste importante, menos del 1% de los costes de explotación, pero estas quieren saber exactamente qué es lo que tienen que hacer. Los gobiernos deben seguir colaborando con las empresas para poner incentivos adecuados y un marco legal que les permita no

Figura 7.1. Distribución de las pérdidas de energía a escala mundial.


perder competitividad y al mismo tiempo enfrentarse al cambio climático. Respecto a los consumidores finales, el comportamiento todavía no ha cambiado y la mayoría de las empresas no cree todavía que su estrategia medioambiental pueda afectar a su posición de mercado. La mejora de la eficiencia puede dar un efecto rebote, aunque poco probable. Por una parte, disminución del consumo energético, que puede acarrear un descenso de precio, con ello una mayor liquidez y a la postre una mayor demanda de bienes y servicios cuya manufactura disparará de nuevo el consumo energético. Por otro lado, hay que impulsar medidas de disuasión y control, recordando que eficiencia y ahorro forman parte de la misma actuación. El ahorro de energía debería ser la gran asignatura en la que iniciarse para reducir los consumos energéticos. En España existen infinidad de empresas industriales que llevan los fangos de la depuradora de aguas residuales, una vez secos (que son combustibles), al vertedero, y gastan una inmensa cantidad de dinero en la compra de combustible fósil convencional para hacer funcionar la caldera de vapor. Tal contrasentido, dejando al margen los aspectos económicos, es enorme desde el punto de vista ambiental: •

• •

Según explica el análisis del ciclo de vida, la cantidad de combustible necesario en la caldera generará gases de efecto invernadero en mayor cuantía que si se incinerara el fango, pues la parte del biogás que emite en forma de CO2 se considera neutro. En cambio, si se envía el vertedero, también emitirá mayor cantidad de gases, basicamente por cuanto la degradación anaerobia a que estará sometido en el vertedero produce gran cantidad de metano. Si el fango se usara como combustible se evitaría la compra y uso de combustible fósil. En la gestión de los residuos, todas las directrices ambientales indican que el vertido debe ser la última opción cuando las demás, la minimización y la valorización, por un motivo u otro no han sido posibles.

La tecnología actual permite hacer realidad, en numerosas ocasiones, las industrias de emisión

91

cero. En ello se involucra tanto la eliminación de los residuos como la buena gestión de la energía. Diversos estudios realizados sobre la gestión de los residuos de naturaleza orgánica generados en Cataluña, concluyen que su valorización energética podría aportar el 17% de la energía primaria que se consume en Cataluña. Estos autores presentaron un estudio en el foro de unas jornadas sobre automoción en Girona (España), donde se demostraba que los automóviles privados podrían circular solo con el metanol procedente de la valorización de los residuos orgánicos. Los parámetros básicos del estudio se centraban en: •

• •

Separar y procesar la fracción orgánica y seca de los RSU, los fangos de las EDAR, los residuos forestales, los agrícolas y los de la cría de ganado y mataderos. Transformar esta materia orgánica seca en metanol por medio de la gasificación. Usar este alcohol en pilas de combustible de metanol para accionar los vehículos.

El estudio concluía que, en teoría, todos los vehículos de Cataluña podrían funcionar sin gastar gasolina. Finalmente existe un aspecto más polémico que hace referencia por igual al ahorro de energía y la automoción. El vehículo privado se ha convertido en un bien muy asequible. Con referencia a ello, a primeros de 2004, en su informe anual el World Watch Institute ponía de manifiesto que en EE UU existen más coches que licencias de conducir. La AIE en sus balances anuales de eficiencia energética concluye que: •

•

•

En el sistema eléctrico con el actual mix mundial: por cada kWh usado como energía final, se emplean 4 kWh de energía primaria, lo que supone una eficiencia energética del 25%. En el caso del transporte: por cada kWh útil se deben extraer 10 en forma de combustibles fósiles: Eficiencia media 10%. En el sector viviendas y comercial, la eficiencia se estima en un 30%.

En total, teniendo en cuenta que la incidencia del sector eléctrico es del 25%, el del transporte del 45% y el del sector residencial del 30%, la eficiencia media del conjunto es del 20%.

92


Objetivo para una correcta gestión de la energía terior bruto de energía deberá proceder de fuentes renovables.

En enero de 2007, la UE aprobó el denominado “Paquete verde” o 20/20/20 que se concreta en: •

•

En el año 2020 se deberán haber reducido las emisiones de CO2 un 20% frente a las de 1990. En 2020 se deberá alcanzar una participación del 20% de energía renovable en el consumo final de energía en la UE, incluyendo el objetivo de utilización del 10% de energías renovables en el sector transporte, y de forma implícita, mejorar la eficiencia en un 20% en este mismo periodo.

La aprobación del “paquete verde” también debe interpretarse como una oportunidad única para avanzar hacia un modelo económico más competitivo y sostenible. Las nuevas tecnologías permiten cumplir con alguno, o más de uno, de los principales objetivos para la gestión de la energía, que son: • •

•

Alcanzar un ahorro energético, optimizando los procesos. Diversificar, o mejor adoptar, aquellas tecnologías que permitan la incorporación de fuentes renovables de energía. Ambientalización de los procesos. No es suficiente el cambio de recurso energético sino que este debe hacerse de forma respetuosa con el medio ambiente.

Se considera que las fuentes de energía renovable tienen un importante papel que desempeñar en la diversificación del suministro de la energía en la UE. Por ello en los últimos años se han fijado tres objetivos: •

•

•

Para el año 2005, el 2% de toda la gasolina y el gasóleo que se utiliza en el transporte –de hecho solo afecta al transporte por carretera debe sustituirse por biocombustible, elevándose esta cifra al 5,75% en 2010 (Directiva 2003/30/CE). Para 2010, el 22,1% de la electricidad deberá generarse a partir de fuentes renovables (Directiva 2001/77/CE). En el año 2010, el 12% del consumo in-

En la práctica se considera que tan solo la energía procedente de la biomasa y la eólica tienen posibilidades reales de crecimiento. Los elementos básicos de una correcta política energética deben ser: •

•

•

Propiciar el crecimiento económico, de manera que el suministro de energía no sea en ningún caso un cuello de botella. Garantizar la seguridad de suministro en condiciones adecuadas y asumibles de calidad y precio, a pesar de la muy elevada dependencia exterior. Compatibilizar el consumo de la energía con una protección efectiva del medio ambiente, de manera que se cumplan las exigencias de un desarrollo sostenible a largo plazo.

LA NUEVA DIRECTIVA PARA EL AHORRO DE ENERGÍA La Comisión Europea presentó a finales de 2003 nuevas normas para garantizar que todos los estados miembros de la UE ahorren, anualmente, al menos un 1% más de energía mediante una mayor eficiencia energética, y el fomento del mercado de servicios como el alumbrado, la calefacción, el agua caliente y la ventilación. La nueva propuesta de Bruselas establece un marco con definiciones, objetivos metodológicos y obligaciones comunes, tanto en el sector público como en el privado. De este modo, la Comisión Europea persigue el objetivo de lograr un ahorro anual del 1% suplementario de la energía utilizada previamente en cada estado miembro. Dos objetivos, uno general y otro sectorial, y una obligación han quedado bien definidos por la Comisión en un intento por acercarse, en 2012, a un ahorro energético anual del 6% aproximadamente en la UE. El objetivo general pretende un ahorro en el uso final de energía del 1% anual (es decir, del 1% de la cantidad media de energía distribuida o vendida a los clientes finales los cinco años anteriores).


Estos ahorros se registrarán en sectores como el hogar, la agricultura, el transporte, la industria y también en el sector comercial y público. Además, se tendrán en cuenta todos los tipos de energía, de la electricidad al gas natural, las redes urbanas de calefacción y refrigeración, y en energías como el carbón, el gasóleo y los combustibles usados en el transporte. Como segundo objetivo (sectorial del lado de la demanda), Bruselas ha señalado que los sectores públicos de los estados miembros luchen por contribuir particularmente al logro de este objetivo global ahorrando, al menos, un 1,5% de energía al año, en particular mediante una contratación pública energética más eficaz. Por último, el Ejecutivo comunitario ha determinado una obligación sobre la venta de servicios energéticos. Los distribuidores y empresas de abastecimiento energético al por menor tendrán que integrar servicios de energía en su distribución y venta de energía hasta cubrir el 5% de su clientela. Los estados miembros de la UE podrán alcanzar el objetivo del 1% anual estableciendo nuevas medidas, midiendo y comprobando el efecto continuado de los servicios de energía y las medidas de eficacia energética que no fueron introducidas antes de 1991. El ahorro se calculará mediante la suma de las reducciones medidas o estimadas del consumo final de energía atribuible a los servicios energéticos y a los programas de eficacia energética. Con el objetivo de controlar las actividades llevadas a cabo por los diferentes estados miembros, estos informarán periódicamente de sus logros. Asimismo, en la propuesta europea se determinan los servicios energéticos y las directrices de eficacia en este sector para medir y verificar los ahorros. La disposición de un sistema de calificación, certificación o acreditación de los proveedores de servicios de energía, la modificación o suspensión de la legislación que limite el uso de instrumentos financieros para el ahorro de energía, la eliminación de incentivos para aumentar el volumen de energía transportada o las ventas insertadas en los planes de auditoría energética de alta calidad y la medición exacta y frecuente del consumo real de

93

energía mediante facturas informativas, son algunos de los puntos que la directiva refleja. Para más información se puede consultar la siguiente dirección: http://www.europa.eu.int/comm/energy/index_es.html.

LA NECESIDAD DEL AHORRO DE ENERGÍA La Secretaría de Estado de Energía del gobierno español ha elaborado un documento de trabajo bajo el nombre de “Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España 2004-2012”, en el que se proponen una serie de normas o actuaciones encaminadas a reducir el consumo energético, después de haber analizado una serie de sectores industriales. En un país carente de fuentes de energía fósil como España, el ahorro de energía debería ser la primera asignatura que lamentablemente se ha tenido olvidada desde la década de los 70 del siglo XX, coincidiendo con la crisis del petróleo. Las razones para tomar el asunto del ahorro energético en serio son: •

•

•

La elevada dependencia energética. España importa el 80% de la energía que gasta (véase Tabla 3.5), en comparación con la media de la UE, que es del 50%. El crecimiento de la demanda interna, aparejado al crecimiento económico del estado español, ha motivado que el aumento de la intensidad energética (cociente entre el consumo de energía y el PIB) haya aumentado mucho. Necesaria reducción de las emisiones de gases efecto invernadero, derivado de los compromisos suscritos referentes al Protocolo de Kyoto.

Entre 1980 y 2006, el consumo de energía final, es decir, la usada exceptuando la necesaria para la generación, ha aumentado un 104,74%. Como es de esperar, el consumo, aunque de manera mas moderada, seguirá aumentado y la situación, de no tomar medidas urgentes, llegará a ser crítica. Por todo ello el Gobierno propone unas líneas básicas de actuación por sectores: •

En el sector de la generación se apuesta por descartar el modelo de construcción de

94

•

•


grandes centrales de generación eléctrica interconexionadas y pasar a un sistema de creación de centrales de generación de mucho menor tamaño pero ubicadas en zonas próximas a los centros de consumo, lo que se denomina “generación distribuida”. En el sector transporte la estrategia apunta hacia el desarrollo de los biocarburantes, el gas natural y el hidrógeno. En general el sistema postula un incremento del transporte ferroviario en detrimento de la carretera y el aumento del transporte marítimo a corta distancia. En el ámbito residencial y comercial el documento de trabajo aboga por las medidas de ahorro energético, facilitando información e impulsando el desarrollo de la arquitectura bioclimática.

La tendencia en otros países de la UE

Muchos países de la UE se han adelantado a los planes de medidas de ahorro energético, en particular por lo que hace referencia a la calefacción. Existen dos grandes diferencias, que obedecen obviamente a razones de tipo climático y estructura del territorio: •

•

Calefacción térmica: a partir de biomasa, tanto de origen animal como vegetal. En ello destacan los países nórdicos, escandinavos, a los que hay que añadir Austria. La principal aplicación es la calefacción de distrito, granjas o viviendas basada en incineración (district heating). Calefacción solar: en las zonas donde exista una razonable insolación. Está bien desarrollada en Grecia, Austria y Alemania (y lo debería estar en España).

La ciudad sueca de Goteborg ha galardonado a investigadores con el Premio Internacional del Medio Ambiente por haber proyectado unas viviendas adosadas que se caracterizan por su alto rendimiento energético. Las viviendas son totalmente autosuficientes en lo que respecta al uso de calefacción, en parte gracias a su buen aislamiento térmico, pero también a la reutilización del calor generado por los ocupantes, el agua caliente sanitaria y la electricidad de las casas. En Suecia se

han construido más de veinte casas de estas características, mientras que en Alemania hay 1.000 de similares. En un clima como el español, y en particular el de la zona mediterránea, el uso de la energía solar térmica puede llegar a cubrir hasta un 60% de las necesidades de consumo de agua caliente de una familia media, con unos niveles de confort y calidad de vida perfectamente compatibles con los estándares actuales. En la actualidad este tipo de instalaciones están sobradamente contrastadas y perfeccionadas y, por tanto, sería de esperar que se potenciara su uso. El Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía (IDAE) ha elaborado una Propuesta de Modelo de Ordenanza Municipal: Captación Solar para Usos Térmicos (véase http://www.idae. es/pcii/doc/Completo.pdf), por la que pretende que los gobiernos municipales que así lo deseen tomen esta propuesta como base para desarrollar su propia ordenanza municipal sobre energía solar térmica. Dicho modelo toma como principal referencia las ordenanzas de captación solar promulgadas por los ayuntamientos de Sant Joan Despí y Barcelona. Las medidas de ahorro energético que propugnan las administraciones suelen diferenciarse entre los edificios existentes y los de nueva planta. En el primer caso las medidas afectan a la envolvente edificatoria, a las instalaciones térmicas y a la iluminación, mientras que las recogidas en el segundo bloque responden fundamentalmente a las nuevas directrices que marca la Directiva 2002/91/ CEE sobre Eficiencia Energética en Edificios. Para dar una idea de la magnitud de las cifras, en el caso de España se estima en 1.800 millones de m2 la superficie correspondiente a fachadas, cubiertas y cerramientos. En España el nuevo Código Técnico de la Edificación (CTE), con todos sus documentos básicos (DB), y en especial los dedicados al ahorro de energía, están en línea con el ahorro de energía que propugna la UE, en especial la homologación de la certificación térmica de los edificios, apoyada por los programas informáticos Líder, Calener VIP y GT, que permiten una evaluación y mejora de su diseño en el comportamiento de su ahorro energético.


LA RECUPERACIÓN DE CALOR EN EL SECTOR INDUSTRIAL Los procesos de recuperación de calor cumplen, de entrada, con los principios enunciados en el párrafo precedente. Desde una perspectiva puramente industrial, en los apartados siguientes se muestran tres ejemplos diferentes para ver las posibilidades de ahorro de calor. Estos aspectos se están viendo potenciados en la actualidad por la directiva de emisión de gases de efecto invernadero. Recuperación del calor sensible de los gases

Existen infinitos procesos, en particular los siderúrgicos, metalúrgicos y mineros, donde el aspecto de la recuperación energética no se ha tenido en cuenta hasta fechas muy recientes. La Figura 7.2 muestra el sangrado de escoria de un horno de fusión. Es obvio que la recuperación de calor desde la escoria es muy complicada, por no decir económicamente imposible, con una sola tecnología, pero también se ha de tener presente que la cantidad de calor que guardan las escorias puede representar el 50% del combustible gastado. Si buena parte de este calor se recupera y se usa para precalentar el aire de combustión, el ahorro global será muy importante. La gran mayoría de los hornos de fusión de me-

Figura 7.2. Sangrado de escoria en un horno de fusión.

95

tales y de refino funcionan por el clásico sistema de combustión. Existen muchos ábacos que facilitan el ahorro de energía según la temperatura del comburente. El aire caliente tiene menor densidad y, a igualdad de masa de aire transportada, precisa de una mayor sección. No obstante el problema más importante se halla en la posibilidad de craqueo del combustible a la salida del quemador por el hecho de usar aire muy caliente. Sin embargo hoy en día existen muchos sistemas para compatibilizar estos inconvenientes con el gran ahorro de energía que ello supone. Un sistema para recuperar el calor consiste en hacerlo en dos etapas. La escoria se vierte en un tromel forrado interiormente con refractarios y aislantes hasta que el líquido alcance una temperatura que asegure que no va a solidificar sobre la superficie del refractario. Cuando se ha enfriado por debajo de esta temperatura, la escoria se puede enviar a un intercambiador de calor de lecho fluidizado, con ello se puede recuperar casi el 70% del calor sensible de las escorias. De hecho la recuperación de calor, en forma de aire caliente, se lleva a cabo, también, en dos etapas: en el tromel y en el enfriador de lecho fluidizado. La recuperación de calor en los altos hornos

Como es bien sabido una parte importante del

96


calor preciso en un horno se emplea en calentar el comburente. En algún tipo de horno, como los de fusión de acero, cerca del 80% del calor aportado por el combustible se evacua en forma de calor sensible de los gases. Esta cantidad puede reducirse de forma drástica cuando el calor de los gases se transfiere al aire de combustión que ahora se introduce precalentado en el horno. El esquema de la Figura 7.3 simboliza la recuperación de calor a partir de los gases de un alto horno.

Figura 7.3. Recuperación de calor de los gases efluentes.

A diferencia del caso anterior, que trataba de la recuperación de calor a partir de las escorias, el presente dispositivo recupera el calor de los gases de un alto horno que salen entre 1.100 y 1.300 ºC. El esquema muestra unos intercambiadores de calor gases/aire. Este transfer debe realizarse en intercambiadores de calor cerámicos. Recuperación de calor y calefacción

La recuperación de calor no solo economiza el gasto de combustible y reduce el efecto invernadero, o sea, minimiza las emisiones de CO2, sino que puede ejercer también un efecto sinérgico cuando se propone instalar una gran planta industrial y facilitar calor para la calefacción urbana (district heating) a la ciudadanía a cambio de acoger la planta en su municipio. Un ejemplo de ello lo representa la planta de producción de lingotes de aluminio de NeussAllerheiligen (Alemania), donde desde 1999,

a coste cero durante un periodo de quince años, envía calor a 150 complejos residenciales que se calientan gracias al calor residual de los gases de combustión. Mataró, ciudad industrial situada al norte de Barcelona, es pionera en Cataluña en la implantación de una red de distribución de calefacción urbana a gran escala. Se aprovecha el calor sobrante de una planta de secado térmico de fangos de EDAR. Esta realiza el secado térmico de los fangos mediante una instalación de cogeneración, cuyo primer objetivo es vender electricidad, mientras que los gases de escape del motor suelen liberarse muy calientes y, por tanto, susceptibles de aprovechar calor residual para la calefacción urbana. El sistema, denominado tubo verde, toma el calor de la chimenea después de pasar por el intercambiador gases/aceite térmico. El calor sensible de los gases es transferido a una red de agua que la distribuirá por la ciudad a través de cinco kilómetros de tuberías. Los consumidores principales serán un complejo deportivo, el hospital de Mataró, la piscina municipal y algunas escuelas próximas al trazado del tubo. La implantación del tubo verde distribuirá bajo tierra agua a 110 ºC y permitirá calentar y refrigerar instalaciones y viviendas próximas a la red. La temperatura del agua se mantendrá en las tuberías de acero gracias a su aislamiento. Con la instalación se prevé un suministro al año de 12.300.000 kWh, consumo equivalente al de 2.000 familias. El ahorro energético es equivalente a 1.140 toneladas de petróleo y representará reducciones de emisiones en la atmósfera de 2.500 toneladas de CO2, el mismo efecto que si se plantara una superficie de bosque de 700 hectáreas. Cogeneración y recuperación de energía

Las aplicaciones como la que muestra la Figura 7.4 son cada vez más frecuentes. El sistema consta de una turbina de gas, en la que a la salida de los gases de combustión, con un exceso de aire del 400%, se intercala una caldera de recuperación que permite la producción de agua caliente o vapor para calefacción. El rendimiento final del sistema dependerá de la temperatura del fluido calentado. Así, si el fluido es agua caliente para calefacción (la temperatura

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ronda los 100 ºC), un buen intercambiador permite reducir mucho la temperatura de los gases de escape y, en consecuencia, obtener una elevada eficiencia de todo el sistema.

•

Generación de electricidad y emisión de CO2

•

Como se verá en la Parte VII de esta obra, uno de los puntos fundamentales del modelo energético postulado en esta obra consiste en el abandono, en 2040, del carbón como fuente para la generación de electricidad. Dependiendo de la tecnología de producción, la generación de CO2 en g/kWh oscila de 800 a 1.050 en el caso del carbón, a 400-500 g CO2/kWh para el gas natural. Según la AIE, la emisión de CO2 asociada a la generación de electricidad varía en los países de la UE, desde un mínimo de 0,04 kg CO2/kWh en Suecia a 1,08 kg CO2/kWh en Luxemburgo. Algunos valores representativos son:

•

• • • • •

0,04 kg CO2/kWh en Suecia, debido a la gran producción hidroeléctrica. 0,09 kg CO2/kWh en Francia, debido a que casi el 80% de la electricidad proviene de centrales nucleares. 0,20 kg CO2/kWh en Austria ya que tiene un buen mix de renovables. 0,48 kg CO2/kWh en España. 0,59 kg CO2/kWh en Italia. 0,60 kg CO2/kWh en Alemania ya que emplea mucho carbón. 0,64 kg CO2/kWh en Reino Unido. 0,46 kg CO2/kWh media de la UE-15.

El hecho de que nuestro país se encuentre, prácticamente, en la media, no debe suponer ninguna ventaja puesto que, además de tener modelos mucho menos contaminantes, España es más dependiente de la importación de la energía primaria que nuestros socios comunitarios.

Figura 7.4. Cogeneración y recuperación de energía.

Rendimiento térmico y ahorro de energía Hoy en día, el origen de la energía consumida en forma de trabajo proviene casi íntegramente de las máquinas térmicas. Las máquinas térmicas son convertidores de energía en forma de calor (producido por una combustión o una reacción nuclear) en energía en forma de trabajo (véase Figura 7.5). Debido a la propia limitación que posee el calor como energía (energía de baja

calidad, pues solo una fracción es exergía), tan solo una parte se podrá transformar en trabajo, mientras que el resto se tiene que extraer en forma de calor, de acuerdo con el teorema de Carnot. En general este calor se lanza al medio ambiente, pero podría utilizarse para algún proceso industrial, es entonces cuando se introduce el concepto de cogeneración.

98


Según el Segundo Principio de la Termodinámica, el máximo rendimiento que se puede conseguir en una máquina térmica viene dado por el rendimiento de Carnot.

Figura 7.5. Ciclo: Combustible – Calor – Energía mecánica – Energía eléctrica.

En esta cadena el punto más débil se encuentra en la conversión de calor a energía mecánica.

Donde Tc es la temperatura del foco frío y TH es la temperatura del foco caliente, ambas en grados Kelvin. En el campo ambiental la cogeneración, es decir, el aprovechamiento del calor que se pierde después de producir trabajo, ya sea a partir de combustibles fósiles como renovables y gases de síntesis, ha adquirido en los últimos tiempos un gran incremento debido al ahorro de energía que ello supone.

La energía primaria, EP, se define como la energía térmica que se puede extraer de un determinado combustible. Industrialmente viene dada por: EP = Qp = M combustible ·PCI Donde PCI es el poder calorífico inferior del combustible, que se define como: energía liberada al quemar completamente en oxígeno 1 kg de combustible, inicialmente ambos reactivos a 25 ºC, quedando los productos estables de máxima oxidación a 25 ºC y el agua obtenida en la combustión en estado gaseoso. La Tabla 7.1 reproduce los PCI de los combustibles más usados en cogeneración. En este punto es importante destacar el papel que adquieren las denominadas calderas de condensación. En las calderas convencionales los gases se emiten por encima de 100 ºC y el agua formada en la combustión se lanza a la atmósfera en forma de vapor. Si la caldera se ha diseñado para emitir los gases de combustión a unos 50 ºC significa que el vapor de agua condensa en el interior y el calor latente del cambio de fase (del orden de 600 kcal/kg H2O) se torna útil.

La energía final (EF), se define como la energía que recibe el usuario, en general en forma de electricidad y calor. Tabla 7.1. PCI de combustibles fósiles usados en cogeneración. Combustible

+:; :

PCI (kJ/kg.)

Gasolina auto

≈ C8H15

≈ 42.500

Gasoil auto

≈ C14H25

≈ 42.000

Gas natural

≈ CH4

≈ 54.860

CH4

55.646

Propano (gas)

C3H8

50.455

Butano (gas)

C4H10

49.629

Metanol (líquido)

CH3OH

19.674

Etanol (líquido)

C2H5OH

26.790

Hidrógeno (gas)

H2

105.491

Carbón*

C...

≈ 29.250

Metano (gas)

* Carbón (teórico) con un porcentaje de C del 100%.

La relación entre la energía primaria y final es una función directa de los rendimientos de transformación y distribución, Kde , asociados a la tecnología específica de transformación de energía primaria en energía final. En muchos casos las pérdidas de energía entre la salida de la central energética y el equipo consu-

99


midor final son suficientemente importantes como para, antes de abordar una opción de cogeneración, analizar la conveniencia de optimizar la red de distribución de calor o la tecnología de consumo de calor, y posteriormente, dimensionar la instalación de cogeneración a la escala más adecuada.

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA FINAL ELÉCTRICA En un sistema convencional de generación de electricidad, central termoeléctrica, la energía química del combustible produce calor que, por medio de una máquina térmica, en parte se transforma en electricidad, tal como indica la Figura 7.6. Con un rendimiento eléctrico, Ke, de valor usual menor del 40%, la energía que le llega al consumidor será la combinación de este valor con el rendimiento del transporte. El rendimiento de transporte y distribución de la electricidad: Kde, tiene unos valores típicos alrededor del 90%. Así pues, teniendo en cuenta estos rendimientos la energía final EF respecto a la energía primaria EP, valdrá: EF = Ke · Kde · EP = 0,4 · 0,9 · EP = 0,36 · EP En España las estadísticas muestran que el valor medio es de un 35%, lo cual debe ser motivo de seria reflexión, puesto que un 65% es energía primaria que se pierde.

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA FINAL TÉRMICA En el caso de que a partir de un combustible se requiera como EF energía térmica, como se simboliza en la Figura 7.7, las cifras son sensiblemente diferentes. En efecto, el rendimiento térmico, Kt, presenta valores normales algo menores de un 85%, mientras que el rendimiento de transporte y distribución del calor, Kdt, presenta valores típicos sobre el 98% (la diferencia entre Kde y Kdt es consecuencia de que en el caso de la electricidad hay mayor distancia entre los puntos de generación y de consumo que en el caso del calor). Por tanto la energía final, en este caso térmica, que recibe el consumidor respecto a la energía primaria consumida será: EF = Kt · Kdt · EP = 0,85 · 0,98 · EP | 0,83 · EP

JUSTIFICACIÓN DE LA COGENERACIÓN En el caso de la cogeneración el combustible se aprovecha en su doble aspecto: por una parte, la energía eléctrica obtenida a partir del trabajo útil del motor térmico, y por otra la valorización del calor desprendido al exterior, que no es más que el calor no aprovechado mecánicamente por el motor. Por tanto se tiene: •

un rendimiento eléctrico: Ke con valores estándar entre 25-43%, y

Figura 7.6. Esquema de generación y transporte de electricidad hasta en consumidor.

Figura 7.7. Generación, transporte y distribución de calor

100 •


un rendimiento térmico: Kt con valores típicos entre 35-60%.

En este caso el rendimiento térmico viene expresado por:

Así pues se define un rendimiento total suma de los dos anteriores, con valores del orden del 80% e incluso, como máximo, del 90%. EF = (Ke + Ke )· EP | 0,80 a 0.90 de la EP La suma debe entenderse en el sentido que a un bajo valor del rendimiento eléctrico se obtiene un elevado rendimiento térmico y viceversa, por lo que la suma es de 25%+60% o del 43%+35%.

pues, obviamente, se ha suprimido el término Kde ya que la electricidad es generada in situ (el sistema de cogeneración se instala donde se requiere la energía eléctrica) y no hay pérdidas por transporte.

Los combustibles fósiles y el impacto ambiental

8

LA INCORPORACIÓN DE LOS PARÁMETROS AMBIENTALES ALTERARÁ LOS COSTES DE GENERACIÓN Y ORIENTARÁ HACIA LAS EE RR • • •

•

•

• • •

• • • •

La paulatina incorporación del coste de corrección ambiental incrementará la tarifa eléctrica, lo que hará que cada vez sea más competitiva la energía renovable. El coste de instalación (€/MW) y el de generación (€/MWh) en el caso de las EE RR va disminuyendo (y lo hará aún más) con el tiempo. En el año 2000 se contabilizaron 487 reactores nucleares repartidos en 31 países, con una potencia instalada de 351.000 MW, que produjeron más de 2.430 GWh de energía, lo que representó una cuarta parte de la electricidad obtenida en todo el mundo. En España el porcentaje es similar. De cara al futuro se debería buscar una sinergia en el uso de las renovables. Así, en el ámbito de la Europa occidental y en el norte de África una política energética podría ser: la fachada atlántica es muy ventosa, produce energía eólica y oleomotriz, la costa mediterránea termosolar y la Europa central biomasa e hidráulica. Los costes de explotación de una central termoeléctrica se reparten de la siguiente manera: un 80% el coste de explotación y un 20% la amortización de la inversión, cuando en una planta de energía solar térmica, el reparto es exactamente al revés. En España, el carbón y la nuclear generan alrededor del 20% de electricidad cada una, con importantes emisiones de gases de efecto invernadero en la primera y de residuos en la segunda. El uso de carbones y petróleos con alto contenido de mercurio presenta importantes interrogantes sanitarios y ambientales. Se estima que, de inmediato, debería cambiarse el mix de energías en la generación de electricidad con un porcentaje de energías renovables que alcance, al menos, un 12% de la energía primaria. Las energías renovables tienen unas posibilidades inmensas, ya que pueden suministrar unas 4.000 veces la energía mundial consumida. La principal tecnología que utiliza el “carbón limpio o verde” es la gasificación con el soterramiento del CO2 generado. En el caso de generación de electricidad, la biomasa ocupa para su desarrollo una gran superficie, mientras que la eólica un 25%, y la termosolar menos del 10% de la de biomasa. La emisión de CO2/kWh producido por una central con lignito, la más contaminante, alcanza los 900 g de CO2 por kWh producido, mientras que la solar, la eólica y la de fisión tienen valores inferiores a los 50 g/kWh, y son los sistemas con más bajo valor.

102 •


Los costes de instalación de las EE RR han ido disminuyendo con los años. Así, el caso mas representativo, es el de la generación de electricidad a partir de la energía eólica: mientras que en 1980 estaban sobre los 5.000 €/kW, en 2007 habían descendido por debajo los 1.000 €/kW.

Introducción En este capítulo se analiza el impacto de los combustibles fósiles, que en España son los que generan la mayor parte, alrededor del 50 al 55%, de la electricidad y también de las energías renovables, con un 15 al 20%. El consumo de energía en los países industrializados se divide, casi en partes iguales, entre la industria, el transporte y el sector terciario. En el caso particular del carbón, el impacto ambiental asociado afecta a la actividad extractiva (el carbón nacional es de mala calidad y cada vez se recurre más a las calidades de importación), sin embargo ha sido una actividad desarrollada secularmente y su huella es bien patente en muchas regiones de España. Por otra parte hay que contemplar el impacto desde el punto de vista de su contribución al cambio climático. La quema de carbón contribuye a la aportación de CO2 a la atmósfera pero también le acompañan una serie de contaminantes tanto gaseosos como sólidos. De acuerdo con la extensión de los efectos que genera la extracción, transporte y consumo de combustibles fósiles, se habla de: impactos globales, cuyos efectos tienen repercusión a grandes distancias, como es el caso de la producción de gases

ácidos o gases de efecto invernadero, o bien de impactos regionales o locales y su zona de influencia se circunscribe a un área más pequeña. Tal sería el caso de la generación de cenizas volantes o de la alteración de la flora o la fauna local por la actividad de una central, o una línea de transporte. El interés de añadir estas notas de carácter ambiental se hace con la intención de sensibilizar al ciudadano en el que a la tarifa de generación de electricidad, en un futuro, habrá que añadirle un plus en concepto de descontaminación. La electricidad más barata, de entre los combustibles fósiles, es la procedente del carbón. Pero la pregunta es, cuál sería el coste si: • • •

Se obligara a capturar y a enterrar todo el CO2 Se depurarán completamente los contaminantes gaseosos que se emiten. Se eliminarán de manera ambientalmente sostenible, las cenizas volantes y las escorias.

Sin duda, al valorar y añadir todos estos costes al valor real de generación superaría, con creces, el coste de producción del kilovatio de origen termosolar o eólico.

Impacto ambiental sobre el medio natural La generación de energía, en cualquiera de sus formas, implica una afección más o menos intensa al medio ambiente. Las energías primarias presentan un fuerte impacto en su fase de extracción, una afección menor en el caso de la transformación (con excepción de las refinerías) y un impacto importante en la etapa de transporte. Las repercusiones ambientales del uso de la energía abarcan a los tres vectores clásicos del medio ambiente:

EFECTOS SOBRE LA ATMÓSFERA Es, sin duda, el impacto más importante ya sea como contaminantes primarios, en forma de gases contaminantes, o secundarios, como los derivados de su uso. La energía en su conjunto, incluyendo básicamente el carbón, es la responsable de: •

El 90% de las emisiones antropogénicas de compuestos de azufre.


• • • • • • •

El 90% de las emisiones antropogénicas de compuestos de plomo. El 85% de las emisiones de NOx. Del 50 al 80% de las emisiones de CO2. El 55% de las emisiones de COV. Del 30 al 40% de las emisiones de CO. El 40% de las emisiones de material particulado. Del 10 al 40% de las emisiones antropogénicas de metano.

EFECTOS SOBRE EL MEDIO LÍQUIDO

103

de sedimentos o partículas en suspensión. En la etapa de transformación, las centrales térmicas afectan a las aguas superficiales debido a los sistemas de refrigeración. La alteración química en la fase de transformación es más patente en las refinerías.

EFECTOS EN EL SUELO En el caso del carbón afectan al medio físico y paisajístico. Tampoco hay que olvidar que el suelo es el último destinatario de los contaminantes que se emiten al agua y a la atmósfera.

Las actividades extractivas producen alteración física y química de las aguas por medio

Fuentes de energía de bajo impacto En contraposición a los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), cuyos impactos ambientales durante las etapas de extracción y consumo son importantes, las llamadas energías renovables se nutren de combustibles que se renuevan de manera constante y su fuente de energía primaria es inagotable, el Sol. Desde el punto de vista ambiental, las energías renovables presentan impactos ambientales reducidos, que afectan en todo caso al ámbito local, y su vigilancia y corrección es de una magnitud muy inferior al

de los impactos que ocasionan los combustibles fósiles. El aprovechamiento de recursos naturales, como la materia orgánica, con finalidad energética, cumple una doble finalidad: elimina residuos del medio y disminuye en el consumo de combustibles fósiles. En este sentido los más asequibles son la biomasa forestal, la biomasa procedente de las actividades agrícolas y/o ganaderas y los residuos industriales derivados de industrias de transformación de madera y papel.

La sostenibilidad de la generación de electricidad La producción convencional de electricidad, desde el punto de vista ambiental, es uno de los focos de contaminación más importante y presumiblemente el problema se incrementará ya que la demanda de electricidad seguirá creciendo. El problema se agrava en España, puesto que un porcentaje muy elevado se genera a partir del carbón. Los dos vectores contaminantes del sistema de producción de electricidad a partir de combustibles fósiles son: • •

Residuos, como en el caso de las centrales termoeléctricas o nucleares de fisión. Contaminación atmosférica, como el caso

de las centrales de gas, de carbón e incluso las de biomasa. De hecho, el llamado problema de la sostenibilidad de la generación de energía se enmarca en un equilibrio entre tres parámetros: economía, ecología y energía (seguridad de suministro). Es preciso hacer unos breves comentarios sobre cada uno de los factores antes citados: •

Seguridad de suministro. Con la tecnología que se dispone hoy día, en los albores del siglo XXI, el potencial de generación de electricidad a partir de los combustibles fósiles conocidos es muy inferior del total de todas las energías alternativas, o renova-

104

•

•


bles, que la naturaleza pone a nuestra disposición (algunos autores aseguran que, en la actualidad, solo se hace uso de menos del 2% del potencial de las EE RR). Es decir, este parámetro está bien asegurado, solo es cuestión de ponerlo a trabajar (véase la importante Tabla 8.1). Rentabilidad. La rentabilidad, en el caso de la generación de electricidad, depende de dos factores: de una parte, el precio de los combustibles (y la energía renovable por definición es gratuita), y por otra parte la inversión; es por tanto este vector el que hará decantar la balanza que, además, depende de la economía de escala. Mientras solo existan plantas de demostración el coste de inversión seguirá siendo alto. Los costes de explotación de una central termoeléctrica se reparten de la siguiente manera: un 80% coste de explotación y un 20% la amortización de la inversión, cuando en una planta de energía solar térmica el reparto es exactamente al revés. Protección del medio ambiente. Es obvio que, al margen de algunos aspectos que se indicarán, todas las ventajas están del lado de las energías renovables.

En el caso del Estado español, en 2007 el papel de las energías renovables dentro de la cesta de suministro de energía primaria, como muestra la Figura 8.1, era escasamente del 4%, y básicamente de naturaleza hidráulica, y casi toda esta energía se dedicaba a la generación de electricidad. El consumo de energía final en España, en 2006, fue de 106.382 ktep, según la Secretaría del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. El destino de esta energía final fue:

•

•

•

Transporte 39,2%. Donde se concentran esencialmente los derivados del petróleo, el 98,8% de la energía es consumida por el transporte. Muchos países van complementando esta cifra con combustibles renovables. Industria 33,8%. Desde el punto de vista energético se trata sin duda del sector más eficiente. Sin embargo, a excepción del sector de generación de energía eléctrica, que es el más importante, las posibilidades de sustitución no son, por el momento, muy elevadas. Servicios y sector doméstico 27,0%. Es un sector, como el transporte, en constante alza y con posibilidades de ahorro potencialmente elevadas.

La Figura 8.1, no es más que una continuación de la información que contiene la Figura 2.5, en que las energías renovables han variado entre el 1,9% y el máximo del 6%, en el caso de un año con mucha energía hidráulica, como en 1979.

SEGURIDAD DE SUMINISTRO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES Definido el marco de lo que viene a denominarse sostenibilidad, la Tabla 8.1 muestra las posibilidades de las energías renovables, a partir del estado de desarrollo de los medios de conversión eléctrica hoy en día disponibles. Para la correcta interpretación de la Tabla 8.1 hay que tener en cuenta las siguientes explicaciones: •

La primera columna indica las diversas fuentes de energía primaria disponible, incluyendo, en la última fila, los combustibles fósiles.

Figura 8.1. Energías renovables en la cesta de la energía primaria en España en 2007.

(Fuente: Secretaría General de Energía. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio).

105

Los combustibles fósiles y el impacto ambiental Tabla 8.1 Potencial de generación eléctrica a partir de EERR (Elaboración propia).

Tipo de energía < <; Potencia incidente en mar Potencia incidente en los continentes :< : Evaporación Gradiente térmico marino Corrientes marinas

: < Potencia eólica en tierra Potencia eólica en mar Potencia undemotriz Fotosíntesis Calor interior de la Tierra = Gradiente salino Total renovables : ; <

• •

•

La segunda columna cuantifica la potencia de cada una de las fuentes, en TW. La tercera columna pretende cuantificar la cantidad de la energía que puede estar disponible: hay que pensar que, al margen de las condiciones metereológicas, solo una mínima parte del territorio continental va a ser útil para la captación de la energía solar. La cuarta columna hace referencia a las eficiencias de transformación en energía eléctrica (energía térmica disponible/energía eléctrica útil), sobre todo pensando en la tecnología disponible hoy en día.

Lo más significativo de la Tabla 8.1, que se ha elaborado a partir de la Tabla 1.9, es que las tecnologías probadas en la primera década del siglo XXI, permiten la generación de una potencia eléctrica casi 40 veces superior a la obtenida con todos los combustibles fósiles. Si además se estimara la energía calorífica (no contemplada en la tabla), la relación sería muy superior. La Tabla 8.1. refleja las inmensas posibilidades de las energías renovables y que hoy día solo se ha iniciado su utilización. Así pues, asegurado el suministro de energía primaria, vale la pena repasar

TW 80.000 60.000 20.000 40.000 30.000 9.700 300 300 100 50 150 30 30 3 100 120.463 13

TW disponibles 1.800 600 1.200 6.030 5.000 1.000 30 25 6 4 15 8 4 1 20

TW útiles 390 90 300 93 30 60 3 8,0 1,8 1,2 5,0 1,5 0,4 0,4 3,0 496 13

el denominado mix eléctrico, es decir las diferentes fuentes de generación de energía eléctrica que, en el caso del Estado español, son las representadas en la Tabla 8.2. Tabla 8.2. Mix de referencia del estado español en 2005 y 2007

Año

2005

2007

%

%

Carbón

23,0%

22,3%

FO + GN

24,6%

4,7%

Ciclo combinado GN

14,5%

23,5%

Nuclear

17,1%

17,7%

Hidráulica

6,0%

8,5%

Renovables

14,8%

23,3%

TOTAL generación

100,0%

100,0%

A excepción de la penúltima fila, como muestra la Tabla 8.2, se trata de energías fósiles o no renovables. La tabla pone de manifiesto que, en solo dos años el escenario puede variar de manera importante. 2005 fue un año con poca hidraulicidad, tanto la hidráulica convencional como la minihidráulica (< 10 MW). Es obvio que para lograr la

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sostenibilidad hay que invertir las cifras, en Europa ya existen países como Austria o Suecia donde las energías de origen renovable son mayoritarias en la cesta. Por otra parte, el mix de energías renovables debe llevarse a cabo de tal forma que unas y otras: biomasa, solar, eólica, etc., se complementen, tanto en el ámbito estatal como de comunidad de estados. La Figura 8.2 muestra un ejemplo de cómo el Ministerio alemán de Medio Ambiente propone un intercambio de energías de diferentes fuentes en la UE. Los países del área mediterránea están especialmente llamados a instalar plantas de energía solar térmica de nueva generación. En las zonas montañosas, Alpes y norte de Europa, tendrá preponderancia la energía hidráulica, mientras que la costa atlántica es propicia a la eólica. Además también hay que añadir la geotérmica y la biomasa. Es evidente que ello tropieza con el problema del transporte eléctrico, bastante ineficiente hoy en día. Para salvar grandes distancias se debe recurrir a una forma más eficaz del transporte de energía: el CCAT (transporte de corriente continua a alta tensión). El sistema consiste en una estación rectificadora situada al principio del tramo de transporte, que convierte la energía alterna generada en

continua. En la recepción se vuelve a transformar en alterna. De esta manera se pueden transportar hasta 3.000 MW(e) a grandes distancias (se sobreentiende más de 2.000 km) con bajas pérdidas y a un coste reducido (esta técnica ya se usa en numerosas partes del mundo, en especial en tramos submarinos, como entre Tasmania y el continente australiano). Diversos informes y estudios publicados en la Unión Europea, especialmente, el Libro Blanco de las energías renovables, estiman que, tanto los problemas ambientales como el agotamiento de los recursos energéticos pueden minimizarse modificando la actual estructura energética, proponiendo un mix de energías en la generación de electricidad con un porcentaje de energías renovables que alcance, al menos, un 50%. La trascendencia y magnitud que han adquirido los aspectos relacionados con el calentamiento global han permitido una profundización de su evaluación. Así, se dispone de suficiente información para estimar que, hoy en día, el contenido de gases de efecto invernadero en la atmósfera es un 25% superior al existente en los últimos 160.000 años. Debería procederse, pues, a una reducción del orden del 60% de las emisiones globales actuales.

Figura 8.2. Mix energético del futuro en la UE. (Fuente: Ministerio alemán de Energía).

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De acuerdo con algunos informes procedentes de diversos organismos internacionales, se ha estimado que la temperatura aumenta 0,2 ºC por década y, asimismo, que, de continuar las pautas de generación y consumo actuales, el incremento podría alcanzar los 0,3 ºC por década. Este aumento situaría el cambio en unos 5 ºC para el año 2050 en el norte y este de Europa, con la siguiente modificación climática, que afectaría al 20% de Europa. Es lo que la comunidad científica califica de línea roja sin retorno y ello acontecerá cuando la concentración de CO2- equiv alcance las 450 ppm.

RENTABILIDAD DE LAS FUENTES DE SUMINISTRO Como con cualquier otra tecnología, las diversas formas de producir energía eléctrica a partir de energías renovables precisan de un factor de economía de escala. Así, por ejemplo, en la década de los 1980 cuando comenzó la energía eólica, los generadores eólicos tenían una potencia entre 50 y 100 kW, mientras que en 2005 es normal encontrar generadores de 2,5 MW(e) en tierra y hasta de 7 MW(e) en el mar. La Figura 8.3 reproduce la disminución del coste de inversión según ha ido aumentando la potencia instalada.

Hay que señalar que en 2004, la potencia eléctrica de origen eólico, en España, superó a la potencia instalada de origen nuclear. Sin embargo, no hay que confundir la potencia instalada con la energía generada por cada fuente. En España, en 2004, la energía de origen eólico enviada a la red fue solo un tercio de la energía generada por las centrales nucleares. La Parte VII de esta obra profundiza en estos aspectos.

ASPECTOS AMBIENTALES Y DE OCUPACIÓN DEL TERRITORIO Desde el punto de vista ambiental, las principales incidencias de la generación de energía a partir de combustibles fósiles son: • • • • • • • •

Contaminación atmosférica. Efecto invernadero. Lluvia ácida. Agujero en la capa de ozono. Deforestación. Residuos tóxicos y peligrosos. Contaminación del agua. Desertificación.

En la Parte II de esta obra se insiste con mayor profundidad en los aspectos ambientales de la ge-

Figura 8.3. Inversión de energía eólica en e/kW en función de la demanda.

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Figura 8.4. Superficie precisa (ha) para el abastecimiento de energía eléctrica al estado de Texas.

neración de electricidad a partir de combustibles fósiles. Al lado de los problemas ambientales derivados del empleo masivo de los combustibles fósiles, no todo va a ser ventajas para las energías renovables, al menos en el estado de desarrollo de las tecnologías actuales. Sirva de ejemplo la superficie necesaria para explotar diversas fuentes de energía, mediante el ejemplo de la Figura 8.4 sobre la demanda eléctrica de Texas, de 270 TW·h/año (fuente: State Energy Conservation). El estado de Texas tiene 22.490.000 habitantes y una extensión de 671.000 km2. Los recursos fósiles, petróleo y gas (en el caso de que existan) precisan de una extensión y unas infraestructuras, al igual que la solar, y la eólica. Pero cada una de ellas necesita más o menos superficie para generar una misma cantidad de energía. La que menos la solar, y la que más la biomasa. Parece evidente que, en el caso de que se trate de una zona medianamente insolada, como es el caso del ejemplo, que también se podría aplicar al levante y al sur de la península Ibérica, la opción más favorable es la instalación de energía solar térmica.

Para dar una idea de la ocupación de terreno que ello supone, si se elige un “mix” de generación de: • • • •

25% de fotovoltaica y solar térmica (esta última mayoritaria), 25% eólica, 25% biomasa y 25% de convencionales.

La ocupación de terreno sería del orden del 3,5% del citado estado (representando la biomasa el 74%). Solo para hacer referencia a la contribución a la generación de gases de efecto invernadero, en forma de g CO2/kWh, la Figura 8.5 muestra la comparación entre las energías renovables y algunas fósiles.


Figura 8.5. Equivalente de g CO2/kWh, según el sistema de generación de electricidad.

109

Noción de sostenibilidad energética

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LA GESTIÓN ENERGÉTICA Y DE RECURSOS ALIMENTICIOS Y MINERALES ES COMPLETAMENTE INSOSTENIBLE •

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España en 2005 fue ecológicamente insostenible según el parámetro conocido como “huella ecológica”, pues supera 2,6 veces la capacidad de recarga de sus recursos naturales, y cada español necesita disponer de una superficie de 6,4 hectáreas para producir todo lo que consume y asimilar los residuos producidos de forma sostenible. La comunidad de Madrid tenía un índice de 19,9, las Islas Canarias un 10,4, la Comunidad Valenciana un 7,2. Las comunidades con mejor valoración son Castilla-León con 0,7 y Castilla-La Mancha y Extremadura con 0,8. La media europea es de 4,7 veces, igual que Japón, y EE UU tiene 9,7. El protocolo de Kyoto de 2005 establece un número máximo de emisiones permitidas en una zona determinada. En la UE el gobierno de cada estado miembro realiza una asignación gratuita teniendo en cuenta históricos de emisiones de CO2 y previsiones de cada estado. En España se ha elaborado el Plan de Asignación Nacional, para los periodos 2005-2007 y 2008-2012, que asigna a cada instalación una cantidad de derechos de emisión que podrán negociar: vender, si no los necesita, o comprar a otras empresas si precisa un cupo mayor. La gestión de la biomasa, desde el punto de vista energético, puede realizarse por: vertedero, fermentación anaerobia, pirólisis, gasificación e incineración. En la primera se está años para obtener biogás, alrededor de 20 días en la segunda y en las tres siguientes es casi instantánea. La fermentación anaerobia es la más favorable en su rendimiento energético, casi al mismo nivel está la gasificación, y le siguen a cierta distancia la incineración, pirólisis y el vertedero. La incineración es el único sistema finalista de tratamiento de la biomasa, todos los otros son procesos de conversión intermedios ya que el gas obtenido es preciso someterlo a otra operación para valorizarlo. Esta tecnología es, con diferencia, la más usada para la conversión energética de residuos. La opción del vertido es la menos favorable por su baja conversión energética y por su efecto ambiental. El efecto invernadero producido por el biogás que se genera, metano, se emite directamente a la atmósfera. Su efecto es 21 veces más perjudicial que el CO2. Por esto es obligado su tratamiento en los mismos vertederos y transformarlo por lo menos en CO2 mediante la combustión en una antorcha. Como ejemplo de sostenibilidad energética se presenta un sistema de tratamiento de fangos de EDAR con gasificación que cierra el ciclo energético. Los gases del gasificador son aprovechados para realizar un secado parcial de los fangos antes de entrar estos en el gasificador.

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El compromiso, aprobado por la Eurocámara en 2007, respalda el objetivo de la Comisión de limitar las emisiones medias de CO2 de la industria automovilística europea a 120 g/km en 2012 (en la actualidad es de 160 g/km). La UE ha dictado una serie de resoluciones encaminadas al ahorro energético, el fomento de las energías renovables y la prevención del cambio climático.

Introducción Los escenarios económicos-energéticos junto a los científicos-tecnológicos y la misma realidad cotidiana están pergeñando un futuro insostenible para los sistemas naturales y para nuestra propia existencia. El término sostenibilidad está ligado directamente al sistema que proporciona la posibilidad de vivir y es nuestra fuente natural primaria de riqueza. Este sistema, al que se denomina biosfera, está sujeto a dos leyes que gobiernan la transformación de la energía: las leyes de la Termodinámica. En particular la Segunda Ley, que dice que si se consume “calidad” de energía y materia más rápido que el tiempo que los procesos biofísicos pueden reconstruirla, el modelo se irá empobreciendo cada vez más, hasta provocar que el sistema cerrado que es nuestra Tierra se vuelva insostenible. Si bien la Primera Ley de la Termodinámica dice que “la energía se puede transformar en sus diferentes formas, pero en su conjunto se conserva”, la Segunda dice que “la energía se degrada en cada transformación”. Esta pérdida de “calidad” o degradación se puede medir por la magnitud entropía, que es uno de los conceptos más importantes y menos comprendidos de la física. La actual economía industrial considera la base total de recursos inagotable y siempre disponible y a un precio adecuado. El PIB que se toma como una valoración de la riqueza que genera anualmente un país es más bien una medida del valor “energético” contenido de forma temporal en los bienes y servicios producidos a expensas de la disminución de las reservas “energéticas disponibles” y de la acumulación de residuos derivados del proceso entrópico. En un aspecto más amplio, el desarrollo sostenible es el proceso dinámico y complejo que, partiendo de un marco reorientador del sistema económico actual, permite a la sociedad mejorar

su calidad de vida y bienestar, al mismo tiempo que se protegen y mejoran los sistemas que sustentan la vida en la Tierra (biosfera). El gran reto y la gran oportunidad que tienen las sociedades de los países desarrollados, y aún más los emergente, es afrontar este proceso de forma integrada, compartida y consensuada. El desarrollo sostenible en su aspecto más amplio afecta a todas las disciplinas: ordenación y gestión territorial, economía y fiscalidad, sociedad, energía, transportes, etc. Resulta realmente complejo medir lo que se denomina desarrollo sostenible, así el Observatorio de la Sostenibilidad de España (OSE) utiliza hasta 155 indicadores para medir la sostenibilidad. Entre otros indicadores, la “huella ecológica” es un dato, creado a finales de los 90, que fija la superficie necesaria para producir los recursos utilizados y asimilar los residuos producidos por una población determinada, midiéndose así los excesos de producción y contaminación. En su tercer informe, la OSE indica que la España de 2005 es ecológicamente insostenible. Consume recursos y contamina hasta tal punto que supera 2,6 veces la capacidad de recarga de sus recursos naturales, lo que equivale a que cada español hubiera necesitado disponer de una superficie de 6,4 hectáreas para producir todo lo que consume de forma sostenible, es decir integrando en la naturaleza toda la contaminación que genera dicha producción. Los datos no son buenos, pero son mejores que la media europea, con 4,7 veces, la misma que Japón. EE UU tiene una tasa de 9,7 según esta medida. La comunidad de Madrid consume y genera una contaminación de 19,9 veces la biocapacidad de su territorio, casi el doble que hace apenas diecisiete años. Le siguen las Islas Canarias con 10,4, la Comunidad Valenciana con 7,2. Las comunidades con mejor sostenibilidad son Castilla-León,


con una tasa de 0,7, y Castilla-La Mancha y Extremadura con 0,8. En estos tres casos hay mayor regeneración de recursos que consumo de materias primas y generación de residuos. En España, el pujante desarrollo económico de primeros de siglo basado en la construcción y el consumo interno, se sustenta en dos de los sectores de mayor intensidad energética y uso de recursos. Así, entre 1998 y 2006 se han construido 5,5 millones de nuevas viviendas, aunque solo se han creado 3,5 millones de hogares en el mismo periodo. La comunidad de Madrid y el litoral mediterráneo son los puntos más afectados por esta hipertrofia urbana, el 36,52% de los primeros 100 metros de la costa mediterránea están ocupados por algún tipo de superficie artificial. Este modelo constructivo responde a un afán especulativo, más que a una demanda real. En 2006 se ha avanzado tímidamente hacia un modelo menos intensivo de recursos energéticos y con menor contribución al cambio climático. Según el informe “Sostenibilidad en España 2007”, 2006 estuvo marcado por un aumento del peso de las fuentes de energía renovables en el balance general, pasando del 6,03% al 6,8%, aunque sigue alejado del 12,1% contemplado en los planes de energía primaria. Se pudo observar por primera vez cómo en España se recortaron las emisiones de efecto invernadero en un 4,1%. La OSE también apunta que mejoran las expectativas en materia de innovación, competitividad y productividad por el aumento del gasto en I+D. El citado documento refleja una mejora en la tendencia en la generación de residuos, con el consiguiente alejamiento del Plan Nacional de Residuos Urbanos 2000-2006/ PNRU. Esta tendencia se refleja en el incremento del reciclado de envases metálicos, vidrio, papel, cartón y materia orgánica, aunque también se está lejos de los objetivos fijados por el PNRU. La complejidad del desarrollo sostenible en la sociedad actual queda patente en estudios como el de “Euskal Herria – Desarrollo Sostenible”, que se inició en 2004 y continuaba en 2007, en el seno de la Sociedad de Estudios Vascos-Eusko Ikaskuntza, y en el que han intervenido más de 200 personas. Este señala como prioritario, en clave de oportunidad, el adelantarse a la inminente transformación energética, tanto desde la perspectiva de la pro-

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ducción como del consumo; impulsar un sistema energético poco emisor en carbono y eficiente en toda su extensión, e interiorizar el coste de los hidrocarburos caros; y siempre se debe contemplar el largo plazo en todas las planificaciones, energéticas, económicas y territoriales, etc. En la línea de crear un desarrollo sostenible está la entrada en vigor del Protocolo de Kyoto en el año 2005. Este supuso para todos aquellos países que se encuentran dentro de su ámbito de actuación la obligación de adoptar sistemas para reducir la emisión de CO2 que dichos países emiten a la atmósfera. A raíz de ello el Estado español, siguiendo las directrices dictadas por la Unión Europea, reguló un sistema para conceder y permitir el comercio de derechos de emisión. Este tiene como fin último conceder un beneficio económico a aquellos sujetos que no emitan gases a la atmósfera, dado que puede vender sus derechos de emisión potenciales. La base del Protocolo de Kyoto establece un número máximo de emisiones permitidas en una zona determinada y la Unión Europea lleva a cabo una distribución, teniendo en cuenta históricos de emisiones de CO2, y previsiones de cada estado miembro, y el gobierno de dichos estados miembros realiza una asignación gratuita a las instalaciones afectadas por este mercado. Mediante la elaboración del Plan de Asignación Nacional, el Estado, para cada uno de los periodos (20052007 y 2008-2012), asigna a cada instalación una cantidad de derechos de emisión que se mantiene durante la vigencia del plan. Las restricciones impuestas a las empresas para emitir CO2 a la atmósfera y que hasta la fecha eran ilimitadas, se traducen en que estas reciben de forma gratuita un conjunto de títulos (derechos de emisión), es decir, un determinado número de activos con valor que permiten la emisión a la atmósfera de una cuota determinada de CO2. Existe un mercado para la compraventa de los derechos de emisión, regulado por la Administración, y bajo la premisa del pago por contaminar, las empresas que no cubran con sus emisiones reales la cuota asignada podrán vender sus derechos de emisión, por periodos anuales, a aquellas empresas que excedan la suya. Los derechos de emisión se inscriben anualmente a favor de cada titular de la instalación confor-

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me con la distribución asignada por el Consejo de Ministros (artículos 26.2 y 19.4 de la Ley 1/2005), siendo esta simplemente una asignación inicial de

carácter general sin más efectos que los de distribuir (individualmente) la asignación que el Estado español tiene de derechos de emisión.

La gestión de la biomasa desde el punto de vista energético La explotación de los recursos de la biomasa puede dar lugar a un ejemplo de sostenibilidad energética, máxime si se tiene en cuenta que una de las formas más abundantes de biomasa, los RSU, terminan habitualmente en el vertedero y contribuyen decididamente al efecto invernadero. Por ello este apartado comienza con una reflexión sobre la diversas tecnologías de conversión energética de la biomasa. Existen muchos sistemas de conversión energética que son usados en la valorización de residuos. El objetivo de todos ellos estriba en romper las largas cadenas moleculares que constituyen la celulosa y sus derivados. En el caso de los combustibles residuales, estas suelen coincidir con las sustancias contaminantes, y al romperlas se elimina su toxicidad y se recupera el calor que aún tienen. Desde el punto de vista de las operaciones fundamentales de la física, estos procesos se pueden reducir de manera esquemática a cuatro, en función del agente responsable de la rotura del enlace: •

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La más conocida de ellas es la oxidación a alta temperatura, en la que el calor generado por la reacción rompe las largas cadenas moleculares y excita los átomos hasta que estos se combinan con el oxígeno. Las hay de media temperatura, baja temperatura, parcial (como la gasificación), catalítica, etc. La pirólisis podría considerarse un caso particular de la anterior, puesto que el mecanismo responsable de la rotura de enlaces es el calor, pero no hay presencia de oxígeno y ello supone que sea preciso la aportación de energía externa para iniciar y desarrollar el proceso. En la hidrólisis el agente responsable es el agua. Con la ayuda del calor, el pH o la energía cinética, existe una recombinación de substancias.

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En la radiólisis, como la fotólisis, la energía procedente de la radiación es la responsable de la rotura de los enlaces.

La Figura 9.1 reproduce, de manera esquemática, los diversos procesos de conversión energética. La degradación de la materia orgánica es más o menos rápida según los parámetros que intervienen, que es lo que pretende esquematizar dicha figura: •

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Fermentaciones aerobias y anaerobias: son los que tienen lugar en los vertederos. Es obvio que una parte de la materia orgánica, como el papel, es poco degradable y puede tardar años en transformarse; otros, como los plásticos, pueden demorarse todavía más. En resumen, la opción del vertido es la menos favorable de cara a la tasa de conversión energética. Desde la óptica ambiental, al margen de la contaminación originada por los lixiviados, el efecto invernadero producido por el biogás del vertido es muy importante ya que el metano generado es el 50% en volumen de los gases que se emiten directamente a la atmósfera. Teniendo en cuenta que la molécula de CH4 tiene una capacidad de absorción del infrarrojo 21 veces superior al CO2 (tabla de equivalencia de los GEI elaborada por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático), la incidencia sobre el efecto invernadero es muchísimo más nociva que la del CO2, y debe catalogarse de muy importante. Esta es una de las causas de que sea obligado el tratamiento del biogás en una antorcha en los mismos vertederos y transformarlo, por lo menos, en CO2 mediante una combustión. Fermentaciones anaerobias. En ellas lo que se persigue es la generación de forma con-


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Figura 9.1. Conversiones energéticas en la biomasa.

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trolada de biogás. Este biogás es mucho más rico que el procedente del vertedero (puede llegar a contener hasta un 70% de CH4). Sin embargo, y a diferencia del caso anterior, el biogás se produce para ser oxidado y por tanto se reduce todo a CO2 y H2O. La oxidación se realiza en una antorcha o en ocasiones se aprovecha en motores o turbinas para producir electricidad, aunque casi siempre se desperdicia la energía en forma de calor. Desde el punto de vista de la tasa de retorno de la energía, estos procesos son lentos. La pirólisis: donde el agente que desencadena la degradación es la temperatura. El gas obtenido es muy rico en términos de PCI, no obstante es un proceso endotérmico y se debe emplear parte de la energía resultante en el propio proceso. Por otro lado genera una importante cantidad de coque, para lo que hay que recurrir a la incineración, o coincineración, para su eliminación. La gasificación es una combustión parcial de la materia en defecto de oxígeno, lo que da lugar a un gas combustible, gas de síntesis, de bajo poder calorífico.

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La incineración o combustión con exceso de oxígeno. Es el método más rápido de conversión energética y los productos finales son, únicamente, CO2 y H2O.

La energía solar captada por las plantas se transforma mediante la fotosíntesis en energía química que se almacena en los compuestos que constituyen la materia de la que están formados los seres vivos. Así pues, se puede definir la biomasa como todo material con un origen biológico próximo. El proceso fotosintético permite transformar el CO2 y el H2O en sustancias orgánicas, con liberación de O2, de acuerdo con la reacción: CO2 + H2O + energía solar o (H - COH) + O2 En el proceso inverso, en las diversas conversiones energéticas, la energía almacenada en la biomasa, que de manera simplificada puede representarse por la fórmula H-COH, libera calor. En el caso teórico de la combustión perfecta la reacción sería: (H - COH) + O2 o CO2 + H2O + 4,65 kW

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El PCI de la biomasa es del orden de 4,65 kWh/ kg (4.000 Kcal/kg), pues tiene poco carbono y mucho oxígeno y compuestos volátiles, que aportan más del 60% del PCI. Si el objetivo es liberar la energía química contenida en el residuo orgánico (fracción orgánica de los fangos de EDAR o de los RSU), el proceso debe hacerse a una determinada velocidad para que tenga aplicación industrial. Siguiendo con el ejemplo propuesto de la biomasa, una unidad de esta depositada en un vertedero se transformará en biogás en el transcurso de años (y no el cien por cien ya que la lignina, parte integrante de la biomasa, no se degrada), mientras que en la incineración el proceso es completo e instantáneo. En los apartados siguientes, y por el mismo orden en que aparecen en la Figura 9.1, se procede a una ligera exposición de cada uno de los sistemas de conversión energética. Desde el punto de vista de la gestión de los residuos orgánicos hay que hacer notar que el único sistema finalista de tratamiento de la biomasa es la incineración. Todos los otros sistemas: vertido, digestores, pirólisis y gasificación, son procesos de conversión intermedios ya que el vector energético obtenido (gas) es preciso someterlo a otra operación (de oxidación) para valorizarlo.

En algunos países, como Suiza o Austria, simplemente se prohíbe el vertido de fangos, aunque sean secos, y en cualquier caso hay que ser conscientes de que la valorización energética del biogás es siempre un proceso muy lento.

LA METANIZACIÓN DE LA BIOMASA La metanización es una aplicación de la digestión anaerobia que consiste en transformar una parte de la fracción fermentable, putrescible o degradable, de la biomasa en gas metano para su posterior valorización energética. Desde el punto de vista químico, en la digestión anaerobia se desarrollan gran cantidad de reacciones, catalizadas cada una de ellas por enzimas específicas para dar compuestos intermedios distintos. En líneas generales se puede decir que durante la digestión la biomasa de partida, compuesta por moléculas complejas (proteínas, lípidos, hidratos de carbono, etc.) se descompone en moléculas más simples, proceso que tiene lugar en las tres etapas clásicas, para dar como productos finales CH4 y CO2. En función de la humedad se distingue entre: •

EL VERTIDO DE MATERIA ORGÁNICA DESDE EL PUNTO DE VISTA ENERGÉTICO El vertido no debería considerarse un sistema de conversión energética. Ha sido la Directiva 1999/31/ CE relativa al vertido de residuos, la que ha obligado a tratar y/o valorizar, por motivos ambientales, el gas de vertedero. No obstante, la misma Directiva impone serias restricciones al vertido de materiales orgánicos y fermentables en los vertederos, concluyendo con la prohibición, a corto y medio plazo (según el país de la UE) de esta práctica. Desde el punto de vista de la conversión energética, los vertederos actúan en una primera etapa como gigantescos reactores aerobios en la que no se produce energía, y en anaerobios en segunda fase. Ello explica el porqué de la pobre tasa de conversión. En el caso de los fangos de EDAR la cuestión todavía es más punzante: la ley prohíbe el vertido de materiales con un contenido en agua superior al 65%. Por otra parte la presencia de agua es indispensable para activar y desarrollar la biodegradabilidad.

•

Metanización húmeda. Se debe añadir agua hasta que el contenido de sólidos esté entre el 10 y el 15%. Esta modalidad es la usada para el tratamiento de fangos de EDAR. Metanización seca. El contenido de sólidos a la entrada del digestor oscila del 20 al 40%. La producción de gas es mayor por volumen de reactor. Esta modalidad es la empleada habitualmente para el tratamiento de fracciones fermentadas de RSU.

Se considera que el ratio óptimo C/N ha de ser de 20-30. El tiempo de residencia depende de la tecnología usada, pero lo normal son 15 días. En el caso de los fangos de EDAR, la digestión anaerobia ha pasado por dos fases históricas. El proceso tiene más de 100 años ya que a finales del siglo XIX se empleó en Gran Bretaña como gas para la iluminación pública de algunas localidades. En tiempos recientes, la fase primera, la digestión se creía necesaria para la eliminación de los olores y generación de biogás para aliviar la carga energética de la EDAR. Sin embargo, los elevados costes de inversión, unidos a la baja tasa de retorno ener-

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gético, llevaron a los estrategas a la eliminación de los digestores en los diseños. En plena etapa de los secados térmicos se ha demostrado que, en muchos casos, un fango digerido se comporta mucho mejor en la fase de secado y ocasiona menos problemas que otro sin digerir. Así pues, hay voces que abogan por su reimplantación. Además, un fango digerido prácticamente no huele y este es otro de los motivos de su implantación. Como todos los procesos de conversión energética de baja temperatura, en los denominados biológicos, en contraposición a los termoquímicos, las grandes inversiones necesarias y la relativamente baja cantidad de biogás producido, obligan a un análisis profundo y en detalle de cada instalación antes de decidir la conveniencia de instalar un sistema de digestión. Una variante del proceso es el que se emplea para la valorización energética de los residuos ganaderos. Las deyecciones ya contienen una cantidad importante de agua, puesto que se recogen conjuntamente las heces y los orines, a lo que se añade el agua de limpieza de los establos. Un exceso de agua de limpieza, como es habitual en las explotaciones actuales, baja la concentración de sólidos hasta niveles cercanos al 1%, que hace inviable el proceso de digestión anaerobia, al menos desde el punto de vista económico. Sin embargo, este residuo o el procedente de la fracción fermen-

table de los RSU separados por sistemas hidráulicos son un buen medio para potenciar la digestión de fangos de EDAR empleando la denominada codigestión. La Figura 9.2 muestra el esquema de un digestor anaerobio. Por lo general la producción de biogás se sitúa en el intervalo: 0,75 – 1 m3/kg SV tratado Si el fango digerido no sedimenta bien se debe a la flotación de los sólidos y a la alta proporción de partículas finas. Los posibles problemas con la recirculación del sobrenadante tienen que ver con: olores, bulking del fango, incremento de la DQO y la adición de nutrientes. La codigestión de fangos de EDAR con otros materiales supone un salto cualitativo importante para: •

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Mejorar el rendimiento de los actuales digestores, que por lo general se hallan infrautilizados. En este sentido, la fracción fermentable de los RSU ofrecen una solución digna de estudio. Así, son notables los ensayos llevados a cabo en la EDAR de Treviso (Italia), donde han logrado casi triplicar la producción de biogás.

Otro parámetro a tener en cuenta es el uso de los ultrasonidos, ya que rompen las paredes ce-

Figura 9.2. Esquema de un digestor anaerobio en una EDAR.

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lulares, lo que transforma la materia orgánica en más asequible, es decir más degradable o digerible por parte de las bacterias. Con ello la generación de biogás aumenta en un 30%. Con la codigestión es relativamente fácil alcanzar la autonomía energética, por ejemplo, en plantas de tratamiento de deyecciones ganaderas. Las disposiciones aparecidas a partir del Protocolo de Kyoto han supuesto un incremento importante del empleo de los digestores ya que la energía eléctrica producida a partir del biogás está bien pagada.

LA PIRÓLISIS DE LA MATERIA ORGÁNICA La pirólisis es un tratamiento de degradación térmica, en ausencia de aire, de un compuesto orgánico para transformarlo en otros materiales más fáciles de tratar. Así pues, igual que la biodigestión o la gasificación, no es tratamiento final sino una etapa intermedia. Un residuo sólido se transforma, según la caracterización y el nivel de temperatura, en una fracción gaseosa, otra líquida (en fase vapor la temperatura elevada) y otra sólida (coque). La Tabla 9.1 indica la descomposición de los diferentes compuestos de materia orgánica. La fracción gaseosa resultante del proceso está constituida por hidrógeno, monóxido de carbono, metano, etano y etileno, aunque su composición cuantitativa varía de forma muy sustancial con la temperatura de operación. Además, el porcentaje de metano depende mucho del contenido en humedad de la biomasa de partida. El poder calorífico

del gas de pirólisis, muy superior al gas de síntesis procedente de la gasificación, oscila entre 3,8 y 15,9 MJ/m3. Estos valores pueden aumentarse hasta 16,7-20,9 MJ/m3 mediante una variante del proceso denominado pirólisis flash, que consiste en elevar fuertemente la temperatura de la biomasa a gran velocidad (unos 1.000 ºC en un segundo), de forma que se produzca una pirólisis total (craqueo incluido), lo que evita la producción de alquitranes y mejora considerablemente el rendimiento del gas. En el caso de producción de combustibles líquidos y carbón, se requiere una alimentación con humedad baja y constante, para lo cual se realiza una desecación previa, utilizando los gases de la propia pirólisis. En este caso, el poder calorífico del combustible líquido oscila alrededor de los 25,1 MJ/kg, mientras que el del coque producido se encuentra sobre los 20,9 MJ/kg. En cuanto a rendimientos, se pueden llegar a obtener, por cada tonelada de biomasa seca, unos 225 kg de líquidos y 75 kg de coque. Existen variantes de la pirólisis convencional que propician la generación de aceites pirolíticos. Ello tiene la ventaja, en comparación con el gas, que puede almacenarse y producir electricidad y/o calor cuando se precise.

LA GASIFICACIÓN DE LA BIOMASA La gasificación es un proceso térmico que convierte, mediante oxidación parcial a temperatura elevada, una materia combustible o residual en un gas de moderado poder calorífico.

Tabla 9.1. Reacciones pirolíticas en función de la temperatura. Rango ºC 100 - 120 250 340 380 400

Reacciones Deshidratación, secado térmico Desoxidación, desulfuración. Explosión de la molécula orgánica, generando agua y otros compuestos de carbono. Generación de sulfuros. Rotura de los enlaces de los compuestos alifáticos produciendo metano y otros compuestos alifáticos más sencillos. Carbonización. Fase de concentración del carbón en la materia más mineralizada. Rotura de los enlaces carbono-oxígeno y carbono-nitrógeno.

400 - 600

Descomposición de los compuestos bituminosos en materiales de baja temperatura de carbonatación como aceites y alquitranes.

600

Craqueo de materiales bituminosos en otros materiales resistentes a elevadas temperaturas (gases, hidrocarburos de cadena corta), formación de aromáticos (benceno y derivados).

> 600

“Aromatización térmica” del benceno a otros aromáticos más volátiles, reacción del etileno a ciclohexano, deshidrogenación de olefinas, etc.

119


Las combustiones, ya sean con defecto o con exceso de aire, son reacciones en estado gaseoso. De ahí que la gasificación tenga como finalidad convertir las substancias combustibles sólidas en gaseosas, fácilmente transformables en energía por los sistemas convencionales. La depuración y limpieza de los gases es imprescindible para su uso posterior. En el caso de empleo de biomasa y residuos, el tratamiento de gases después de la valorización energética constituye la parte más crítica de la instalación. Las etapas principales del proceso de gasificación, como indica la Figura 9.3, son: • • •

Secado: evaporación de la humedad contenida en la biomasa. Craqueo (pirólisis): degradación térmica en ausencia de oxígeno. Gasificación: oxidación parcial de los productos de pirólisis.

En realidad, al igual que acontece con la incineración, la aparición de las diversas etapas (pirólisis, gasificación y oxidación) se producen de manera espontánea y es imposible separarlas. Sin embargo, como es obvio, en el caso de la gasificación el proceso dominante es la oxidación parcial.

El gas obtenido, llamado gas de síntesis, tiene un PCI moderado, sobre todo si el agente gasificante ha sido el aire, sin embargo se puede oxidar perfectamente en una cámara de oxidación y valorizarlo en una caldera de vapor, o bien enfriarlo, y una vez depurado, valorizarlo en un motor de combustión interna.

LA INCINERACIÓN DE LA BIOMASA La combustión se define como una oxidación rápida de la materia combustible con desprendimiento de calor. Así pues se precisa, en primera instancia, que el residuo a oxidar tenga, al menos, uno de los tres únicos elementos susceptibles de combinarse con el oxígeno con liberación de calor: C, H y S. Otro factor indispensable es la mezcla íntima y adecuada del combustible (los volátiles) y el comburente, que suele ser aire. Seguidamente, cuando la mezcla es la correcta, se debe producir la ignición. A partir de este momento el calor generado permite mantener un nivel de temperatura que asegura la continuidad de la reacción. Las reacciones de combustión pueden llevarse a cabo con el aire justo, entonces la reacción es estequiométrica. Si se realiza con exceso de aire, habrá oxígeno en los gases producto de la combus-

Figura 9.3. Etapas de la gasificación de la materia orgánica.

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tión (caso típico de la incineración). Si hay un defecto de aire, en los gases de combustión se detecta la presencia de inquemados (como acontece con la gasificación).

Esta tecnología es, con diferencia, la más usada para la conversión energética de la biomasa y los residuos.

Con el fin de concretar las opciones de conversión energética a partir de una biomasa, con una caracterización como la indicada en la Tabla 9.2, se muestra un ejemplo de eficiencia energética a base de someterla a los diversos sistemas de conversión energética. Para ello se eligen unas biomasas residuales que con el tiempo serán más abundantes y tienen pocas posibilidades de ser recicladas. El motivo de haber elegido estas biomasas es el siguiente: •

•

•

•

Biomasa forestal. Porque es muy abundante y existen pocas instalaciones para su conversión energética. Tiene una buena capacidad de absorción y ello permite que sea empleada como vehículo para introducir otros residuos pastosos, como la mayoría de los fangos. Fangos industriales. Debido a la alta humedad con la que se generan son difíciles de tratar energéticamente. Y por la misma razón (mucha humedad) no son admitidos en vertederos. FORM. Con el tiempo será una forma de biomasa muy abundante ya que se va imponiendo la recogida selectiva y, con frecuencia, no se sabe qué hacer con esta fracción (su contaminación impide su aplicación como nutriente). Fracción resto. Técnicamente es la parte de los residuos domésticos que no tienen posibilidad de reciclaje material, es decir, no

tienen otra salida que la valorización energética. Están formados, esencialmente, por papel, plástico y cartón, lo que les confiere un poder calorífico muy elevado. Para llevar a cabo el ejemplo se elige una mezcla como la indicada en la Tabla 9.3. En la primera columna de la misma aparece el porcentaje, en términos de peso, de cada una de las fracciones que la componen, y en la columna siguiente las cantidades. De acuerdo con la caracterización expuesta en la tabla anterior, en las columnas siguientes aparecen la materia orgánica (MO), el agua y la fracción inorgánica de cada componente. La penúltima columna de la Tabla 9.3, muestra el PCI útil de cada fracción, y en la última la energía aportada por cada una de ellas en la mezcla. El análisis de esta última columna pone de manifiesto que la fracción resto, que supone el 50% de la mezcla, aporta el 75% de la energía. De ahí la importancia de su inclusión. Como complemento a la gama de tecnologías de tratamiento y valorización de biomasa presentada en la Figura 9.1, se puede desarrollar un ejercicio teórico de conversiones energéticas de la mezcla elegida para obtener electricidad y valorar, de esta manera, la eficiencia de cada sistema. A partir de estos datos aparecidos en las Tablas 9.1 y 9.2, se puede elaborar la Tabla 9.4, teniendo en cuenta las siguientes premisas: •

Vertedero: para calcular la energía útil disponible se parte de la base de que se

Tabla 9.2. Caracterización de las biomasas elegidas. TIPO DE RESIDUO

% humedad

% MS

% inorgánicos

Residuo biomasa forestal

40%

60%

2%

Fangos industriales

60%

40%

40%

FORM (fracción orgánica residuos municipales)

65%

35%

10%

Fracción resto (papel y cartón)

10%

90%

5%

121

Noción de sostenibilidad energética Tabla 9.3. Valor energético de la mezcla. TIPO DE RESIDUO Residuo biomasa forestal

% mezcla

kg mezcla

kg MO

kg agua

kg inorgánicos

PCI útil (kcal/kg)

kW

20%

200

118

80

2

2.112

491

Fangos industriales

20%

200

48

120

32

720

167

FORM

10%

100

32

65

4

1.185

138

Fracción resto (papel y cartón)

50%

500

428

50

23

4.215

2.451

TOTAL

100%

1.000

625

315

60

2.792

3.247

•

•

•

aprovechará energéticamente el 60% de la fracción fermentable y cerca del 20% de los residuos de naturaleza celulósica, ya que con el tiempo se hidrolizarán y fermentarán, transformándose en biogás. El biogás generado, una vez depurado, se valorizará en un motor de cogeneración. Fermentación anaerobia: se supone que en la etapa de hidrólisis previa, cerca de un 25% del papel y los textiles se degradarán y serán enviados al reactor de metanización. Las fracciones fermentables conseguirán una tasa de conversión de cerca del 80%. El biogás generado, una vez depurado, se valorizará en un motor de cogeneración. Pirólisis: puesto que se trata de un proceso endotérmico, se emplea una cantidad del gas generado para aportar dicho calor. Por otra parte, el coque producido, que puede representar hasta un 35% en términos de masa y un 30% en unidades energéticas, no computa para la producción de energía eléctrica puesto que se trata de un sólido. En el presente ejercicio se parte de la base de que el gas de pirólisis se valorizará energéticamente de la misma manera que se realiza con un gas de síntesis. El menor rendimiento de transformación obedece al hecho de que el gas de pirólisis es mucho más rico en hidrocarburos condensables que el gas de síntesis. Además estos, durante el enfriamiento, se “perderán” desde el punto de vista energético, ya que los hidrocarburos condensados pasarán a las aguas de proceso. Gasificación: El residuo debe pretratarse (habitualmente se clasifica y se peletiza), lo que consume una cierta energía. El gas de síntesis se enfría en una torre, lo que

representa la pérdida del calor sensible de los gases y la pérdida del calor latente (la parte más importante) de los vapores presentes (hidrocarburos condensables), puesto que en fase líquida se transfieren al agua de refrigeración, lo que supone una pérdida desde el punto de vista energético. Por otra parte, se debe emplear energía para refrigerar el agua de proceso y para accionar la depuradora de las aguas de proceso. Como contrapartida, la valorización del gas de síntesis en un motor de combustión interna (ciclo Otto) presenta un elevado ratio de transformación. Como muestra la Tabla 9.4, la gasificación supone la opción que proporciona un mejor ratio de conversión. Sin embargo, hay que hacer notar que en algunas instalaciones es muy complicado valorizar el gas de síntesis en un motor y se opta por oxidarlo en una caldera, con lo que el rendimiento final es casi el mismo que el de una incineración. • Incineración: Toda la fracción orgánica se oxida. El calor sensible de los gases resultantes se recupera en una caldera de vapor, donde se expande en una turbina que sigue un ciclo clásico de Rankine, con un ratio de transformación del PCI del combustible a kW (e) en bornes del transformador de, aproximadamente, el 20%. Cada una de las conversiones energéticas da lugar a una energía disponible (primera columna de la Tabla 9.4) variable. Los procesos termoquímicos (pirólisis, gasificación e incineración) permiten disponer del cien por cien de la energía entrada en el sistema. En cambio los bioquímicos (digestión anaerobia y vertedero) solo cuentan con la fracción orgánica fermentable y algo de la orgánica poco degradable (papel, madera, etc.). En la

122


Tabla 9.4. Rendimientos de las conversiones energéticas. PROCESO

kW disponibles

Rendimiento total

kW eléctricos

Incineración

3.247

20%

649

Gasificación

3.247

24%

779

Pirólisis

3.247

13%

422

Fermentación anaerobia

547

38%

208

Vertedero

134

27%

36

columna siguiente aparece el porcentaje de conversión energética (PCI del combustible a kW (e) en bornes del alternador) y, finalmente, la última columna expone la cantidad absoluta de energía eléctrica a partir de la masa de biomasa elegida en la Tabla 9.3. De acuerdo con la Tabla 9.4, los sistemas de valorización energética pueden clasificarse en dos tipos: • •

Los que siguen el ciclo Rankine, como la incineración. Los que valorizan el gas en un motor de cogeneración, ya sea directamente, como los biológicos, o bien previo enfriamiento, como en las versiones de pirólisis y gasificación (lo que conduce a una pérdida de rendimiento).

•

•

A pesar de que se ha procurado que los procesos sean comparables desde el punto de vista energético (siempre se ha valorizado el gas en un motor, a excepción, lógicamente, de la incineración), de los resultados obtenidos es preciso añadir las siguientes observaciones: •

•

La incineración y la gasificación obtienen resultados semejantes con independencia de la mezcla de combustible elegida. En la gasificación, las etapas de tratamiento y lavado de gases son muy críticas. La pirólisis es el sistema que presenta menor rendimiento de los denominados “siste-

mas termoquímicos”. En primer lugar, por la generación de coque y, en segundo lugar, debido a que la cantidad de hidrocarburos condensables es más elevado que en el caso del gas de síntesis. Además el lavado de gases es tan crítico como el caso de la gasificación, por lo que, de cara a la conversión energética, es aconsejable valorizar este gas en una cámara de oxidación. Los procesos bioquímicos son muy dependientes de la mezcla elegida. Así, la efectividad será una función de la cantidad de materia fermentable presente. El rendimiento global es elevado ya que el biogás generado se puede enviar, en la mayoría de los casos, al motor directamente. El caso del vertido es, en términos energéticos, pobre ya que se supone que la gran mayoría de la celulosa presente no se va a degradar y, por tanto, no podrá ser valorizada por este sistema. De manera semejante al caso anterior, el gas de vertedero se envía al motor pero al ser más pobre en metano, el rendimiento del motor es peor.

Como conclusión final a estas reflexiones: •

•

La digestión anaerobia de la materia precisa semanas (el vertedero, años), mientras que los sistemas termoquímicos son instantáneos. Cada biomasa tiene un sistema de conversión energética adecuado.

El ciclo cerrado de la energía En la línea de lo expuesto anteriormente y desde el punto de vista estrictamente energético, se podría decir que una práctica con implicaciones energéticas es sostenible cuando consume una cantidad

de energía moderada que, sobre todo, no pone en riesgo la energía para futuras generaciones. El tratamiento de fangos procedentes de depuradoras de aguas residuales puede ser un buen ejemplo.

123


Para el tratamiento de fangos, la solución más rápida ha sido secar los fangos hasta un 90% a partir de la salida de la planta de deshidratación. Ello ha permitido reducir significativamente el volumen de fangos transportados hasta el vertedero, aunque esta opción es cara, y la cogeneración, usada como soporte económico, resulta poco eficiente. Por esta razón es necesario buscar nuevas vías de valorización de los fangos secados térmicamente que discurran paralelas a las directrices ambientales. La valorización energética de fangos de depuradora puede suministrar la energía necesaria para el secado. La Figura 9.4 muestra el esquema de la gasificación de fangos de EDAR, donde se observa cómo se utiliza el calor generado en el proceso para secar el fango húmedo. La gasificación es una tecnología que permite que la energía contenida en el fango se convierta en energía química contenida en un gas (gas de síntesis), que pueda ser utilizada de forma flexible. Siendo el objetivo eliminar los fangos, se deben aplicar las siguientes etapas en el proceso:

•

•

Generar el gas de síntesis a partir del propio fango, parcialmente secado. El gas se oxida y debe seguir las etapas de tratamiento prescritas en el RD 653/2003, relativo a la cámara de postcombustión. A la salida de la cámara el gas solo contendrá CO2, H2O, gases ácidos, metales y partículas en suspensión. Valorizar el calor sensible del gas en una caldera, produciendo vapor o aceite térmico que a su vez se utiliza para el secado parcial de los propios fangos. Así se cierra el ciclo energético y no se utiliza energía externa para secar los fangos de EDAR.

El único residuo generado es el polvo proveniente del filtro de mangas del lavado de gases. Esta cantidad, en el caso de los fangos de EDAR, es muy elevada ya que los fangos contienen gran cantidad de material inorgánico. Independientemente de la naturaleza del residuo, la vitrificación permite transformar residuos peligrosos en materiales de construcción, cumpliendo con el principio del residuo cero.

Figura 9.4. Modelo de sostenibilidad energética para fangos de EDAR.

Posicionamiento de la UE hacia la sostenibilidad energética Tras once meses de negociaciones, la Eurocámara aprobó a finales de 2008 el paquete sobre energía y cambio climático, que facilitará que

la UE logre sus objetivos para 2020: un 20% de reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, un 20% de mejora de la eficiencia

124


serie de condiciones, para los nuevos estados miembros. — Fábricas. En el caso de las fábricas se introducirá el régimen de subastas de forma gradual. En 2013 se distribuirán de forma gratuita un 80% de los derechos, cifra que descenderá hasta el 30% en 2020. En 2027, la subasta se convertirá en la norma para todos los casos.

energética y un consumo de energías renovables de un 20%. En política medioambiental, el Parlamento Europeo decide en pie de igualdad con el Consejo. Los puntos más importantes son: •

•

•

Revisión del régimen comunitario de comercio de emisiones de gases de efecto invernadero. La Eurocámara aprobó, por 610 votos a favor, 60 en contra y 29 abstenciones, la revisión del sistema de comercio de emisiones (ETS en sus siglas en inglés), que es uno de los instrumentos clave para lograr el objetivo comunitario de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. El nuevo sistema se aplicará desde 2013 hasta 2020 y debería conducir a una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero de un 21% en comparación con los niveles de 2005. El ETS es un sistema de “recorte y comercio”, pues rebajará el nivel de las emisiones permitidas, pero, dentro de ese límite, permitirá a los participantes comprar y vender derechos, con el fin de reducir las emisiones de forma rentable. La cantidad total de derechos emitidos descenderá cada año de forma gradual. En la actualidad, el ETS cubre a más de 10.000 instalaciones en los sectores de la industria y la energía, que son responsables de casi la mitad de las emisiones de CO2 de la UE y de un 40% del total de emisiones de gases de efecto invernadero (el 60% restante estará cubierto por otra de las propuestas que integran este paquete legislativo). En los dos primeros periodos de comercio de emisiones (entre 2005 y 2012) la gran mayoría de los derechos están siendo emitidos de forma gratuita a las instalaciones. La revisión de la directiva introduce la subasta como método de distribución a partir de 2013 (tal y como había propuesto la Comisión Europea con el respaldo de la comisión de Medio Ambiente) pero incluye varias excepciones: — Sector de la electricidad. Para la generación de electricidad, la subasta se introducirá también desde 2013. No obstante, habrá una excepción hasta 2020, bajo una

•

•

Pero los sectores con riesgo de “fuga de carbono”, esto es, sectores en los que la producción tiende a recolocarse en terceros países con una política medioambiental menos estricta, pueden recibir hasta el 100% de sus derechos de forma gratuita hasta 2020 bajo una serie de condiciones y hasta que no se concluya un acuerdo internacional. Esfuerzos compartidos de los estados miembros para reducir sus emisiones. El pleno se posicionó, con 555 votos a favor, 93 en contra y 60 abstenciones, a favor de la decisión sobre el “esfuerzo compartido” que establece objetivos nacionales vinculantes para cada estado miembro con el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes de fuentes que no están cubiertas por el ETS; por ejemplo, transporte por carretera y marítimo, edificios, servicios, agricultura y fábricas pequeñas. Se aplicará entre 2013 y 2020. Estas fuentes producen actualmente cerca del 60% de todas las emisiones de gases de efecto invernadero de la UE. La decisión tiene como objetivo disminuir estas emisiones un 10% entre 2013 y 2020, así como contribuir al objetivo global de reducción de un 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero de la UE para 2020. La decisión de “esfuerzo compartido” es la primera de este tipo en todo el mundo. Almacenamiento geológico de dióxido de carbono. El Parlamento Europeo también aprobó, por 623 votos a favor, 68 en contra y 22 abstenciones, una directiva que proporciona el marco legal necesario para las actividades de captura y almacenamiento


•

•

geológico de dióxido de carbono (CAC). Con el fin de recortar sus emisiones de CO2, las centrales eléctricas y otras instalaciones industriales deberán contar en el futuro con las nuevas tecnologías de captura de CO2 y almacenarlo “de forma permanente y segura” en formaciones geológicas subterráneas. Los diputados han logrado garantizar 300 millones de euros para financiar varios proyectos de demostración a gran escala. Esta cantidad procederá de los ingresos por los derechos de emisión. 20% de energías renovables para 2020. Una nueva directiva, aprobada por 623 votos a favor, 68 en contra y 22 abstenciones, introducirá objetivos nacionales de obligado cumplimiento para los estados miembros por medio de la promoción de las energías renovables en los sectores de la electricidad, la calefacción, el aire acondicionado y el transporte. La meta es garantizar que, para 2020, un 20% del consumo energético total de la UE tenga su origen en las energías renovables biocarburantes, electricidad e hidrógeno producido a partir de fuentes renovables. Además, ese mismo año, al menos un 10% del consumo energético del sector del transporte deberá proceder de fuentes renovables. Reducción de las emisiones de CO2 procedentes de los vehículos. Otro de los elementos del paquete es el reglamento que introducirá límites para las emisiones de los nuevos vehículos de pasajeros registrados en la UE. El compromiso, aprobado con el apoyo de 559 diputados, frente a 98 en contra y 60 abstenciones, respalda el objetivo de la Comisión de limitar las emisiones medias de CO2 de la industria automovilística europea a 120 g/km en 2012 (en la actualidad es de 160

•

125

g/km). El reglamento introduce un objetivo medio de 130 g/km para los vehículos nuevos, que se podrá lograr aplicando una serie de mejoras en la tecnología del motor. Los 10 g/km adicionales (para llegar al objetivo de 120 g/km) deberán obtenerse utilizando otros avances técnicos, como neumáticos mejores o biocarburantes. Además, el acuerdo introduce un objetivo a largo plazo para los coches nuevos de 95 gramos de CO2 por kilómetro en 2020. Los fabricantes también tendrán que cumplir objetivos intermedios para demostrar que la media de emisión de CO2, del 65% de sus vehículos en enero de 2012, del 75% en enero de 2013, del 80% en enero de 2014 y del 100% a partir de 2015 cumplen los objetivos específicos que se les han asignado. Además, los fabricantes que excedan los objetivos mencionados tendrán que pagar multas. Reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes de los carburantes. El último elemento del paquete sobre cambio climático, adoptado con 670 votos a favor, 20 en contra y 25 abstenciones, es una directiva que establece una reducción para 2020 del 6% de las emisiones procedentes de la extracción, el transporte, la distribución, el procesamiento y la combustión de los carburantes utilizados en el transporte (diesel, gasolina, biocarburantes, electricidad e hidrógeno). La comisión de Medio Ambiente de la Eurocámara había respaldado la propuesta de la Comisión de reducir las emisiones un 10% para 2020. Sin embargo, el acuerdo alcanzado con el Consejo exige un recorte de un 6% y pide a la Comisión que presente una propuesta de revisión en 2012, momento en el que la directiva podría ser enmendada para fijar un ulterior recorte del 4%.

126


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II ASPECTOS AMBIENTALES Y DEMOGRÁFICOS RELACIONADOS CON LA ENERGÍA

Se asocia el bienestar y confort con el consumo y, a veces, derroche de energía. La concentración de la población hacia determinadas zonas benignas, que suelen coincidir con áreas semidesérticas, obliga a la construcción de grandes infraestructuras en particular para el abastecimiento de agua. El gran consumo de energía plantea el problema de qué hacer con las grandes cantidades de CO2 generadas. Parece que el enterramiento geológico puede ser una solución pero la producción de biomasa parece una solución más sostenible. El sobrepastoreo, la pérdida de nutrientes por sobreexplotación agrícola, el mal uso del suelo, la tala no sostenible de árboles, las grandes explotaciones mineras, el desplazamiento de la población y el particular régimen pluviométrico español hacen prever la progresiva desertificación de la Península. España presenta escasez de agua endémica en algunas zonas y ocasional en otras. Una gestión racional que combine el ahorro en la agricultura y ganadería, el fomento del ahorro, los trasvases y la desalinización parece la política más adecuada. Las grandes áreas metropolitanas tienen un problema de generación y gestión de residuos que acaba en contaminación y mayor producción de gases efecto invernadero. Todo ello influye en la sostenibilidad. Nuestro organismo es una “máquina” con una potencia media del orden de 150 W, que, a la hora, consume una energía, en forma de alimentos, de 0,15 kWh, lo que equivale a las 3.106 kcal/día. Desde el punto de vista energético, sería suficiente 0,5 kg de carbón al día para subvenir las necesidades calóricas de la “máquina humana”, que, de media, ingiere 2,32 kg de alimentos al día. Para proporcionar esta cantidad de alimentos, cada ciudadano precisa de 3.153 m2, lo que representa una huella agrícola equivalente al 45% de la superficie de España.

Índice II: ASPECTOS AMBIENTALES Y DEMOGRÁFICOS RELACIONADOS CON LA ENERGÍA 10. El confort y su repercusión en el consumo energético...................................................................... 129 • Introducción .............................................................. 130 • Confort y eficiencia energética ................................. 131 • El coste energético del confort.................................. 134 11. Distribución geográfica de la población española ........ 135 • Introducción .............................................................. 136 • La migración hacia las costas ................................... 138 • Previsiones de la población de España en las próximas décadas ...................................................... 139 12. Territorio, energía e impactos ambientales de los sistemas de generación de electricidad. Valoración de los impactos ambientales ................................................................... 141 • Introducción .............................................................. 142 • Impactos ambientales de la generación de electricidad ................................................................ 142 • Comparación de los sistemas de generación de energía eléctrica ........................................................ 154 13 Sistemas de captura y secuestro de CO2 ....................... 157 • Introducción .............................................................. 158 • Ciclo del carbono ...................................................... 160 • Sumideros terrestres sobre la captación de CO2 ....... 162 • Sumideros orgánicos de CO2 .................................... 166 14. La desertificación de la península ibérica. Consecuencias energéticas............................................ 171 • Introducción .............................................................. 172 • La importancia del suelo ........................................... 173 • Fenómenos de erosión y desertización ..................... 174 • Causas de la desertización ........................................ 175 • ¿Cómo afectan las actividades humanas a la desertificación? ......................................................... 175

• Repercusiones ambientales de la desertización ........ 180 • Desafíos para evitar la desertificación ...................... 181 • El régimen pluviométrico en España .............................. 15. El problema del agua desde el punto de vista de la energía. Costes de desalinización y trasvases ............... 183 • Introducción .............................................................. 184 • Otros aspectos relacionados con el acceso al agua ... 185 • Fenómenos migratorios y economía del agua en España ....................................................................... 186 • El proceso de desalinización ..................................... 187 • Coste del trasvase de agua ........................................ 192 • La gestión del regadío ............................................... 194 • Soluciones al déficit de agua..................................... 196 • Medidas para el ahorro doméstico de agua............... 198 • Consecuencias de la escasez de agua........................ 199 16. Territorio y población. Residuos y efecto invernadero . 201 • Introducción .............................................................. 202 • La densidad de población en España y su distribución ............................................................... 203 • La generación de residuos y población ..................... 206 • Sistemas de gestión de residuos................................ 210 • Vertederos y efecto invernadero ............................... 212 17. Sostenibilidad: huelga ecológica, ambiental y social ... 215 • Introducción .............................................................. 216 • La huella ecológica ................................................... 217 • Sostenibilidad social y económica ............................ 221 • Sostenibilidad ambiental........................................... 221

BIBLIOGRAFÍA. PARTE II............................................... 228

El confort y su repercusión en el consumo energético

10

LOS ESTUDIOS DEMUESTRAN QUE EL CIUDADANO PIENSA QUE EXISTE UNA CORRELACIÓN DIRECTA ENTRE EL CONFORT Y EL CONSUMO ENERGÉTICO • • •

• • •

•

•

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• •

Desde el punto de vista sociológico existe una correlación entre confort y consumo de energía. Es preciso deslindar el bienestar del derroche. El consumo de energía en el mundo se incrementará en un 57% entre 2004 y 2030. Básicamente en los países con economías emergentes. El consumo de energía primaria per cápita en España en 2006, fue de 3,7 tep/habitante y año, lo que equivale a 44.367 kWh/año. Este valor se halla por debajo de la media de los países de la OCDE (4,7 tep/habitante/año) y por encima de la media mundial (1,8 tep/habitante/año). Se calcula que los hogares españoles malgastan un 10% de la energía que consumen, lo que supone una malversación anual de 700 millones de euros. Reducir un 10% el consumo energético no se traduce en una merma de calidad de vida o confort. El gasto eléctrico de los electrodomésticos “apagados” (en stand-by) que el 60% de los hogares españoles siempre tiene conectados a la red llegan a consumir un 10% de la energía de la casa. El Índice de Eficiencia Energética elaborado por Unión FENOSA, IDAE y asociaciones de consumidores refleja que los hogares españoles ahorraron, en 2005, un 2% más de energía que el año anterior. Esta mejora del 2% equivale a 326 GWh, lo que supone el consumo energético anual residencial de la provincia de Segovia, o bien 27 millones de euros. En el mundo, a 2007, existían 2.000 millones de personas que no tenían acceso a la electricidad. Menos de la cuarta parte de la población mundial, la que habita en el mundo industrializado, consume las 3/4 partes del total de energía disponible La repercusión diaria del consumo eléctrico es del orden de lo que cuesta una taza de café, es decir, alrededor de 1,1€. Es decir, más barato que la factura del teléfono, en términos generarles Existe una correlación, casi lineal, entre el grado de desarrollo y el consumo de energía por habitante. El coste de generación de electricidad se incrementará al menos en un 40% en pocos años. Si se añadiesen los costos ambientales, el incremento sería muy superior.

130


Introducción En la sociedad moderna la disponibilidad de energía está fuertemente ligada al nivel de bienestar, a la salud y a la duración de vida del ser humano. En la sociedad, los países más pobres muestran los consumos más bajos de energía, mientras que los países más ricos utilizan grandes cantidades de la misma. Sin embargo, este escenario está variando de forma drástica, cambio que se acentuará en los próximos años, donde serán precisamente los países en vías de desarrollo quienes experimenten con mayor rapidez un aumento en su consumo de energía debido al incremento que tendrán tanto en sus poblaciones como en sus economías. El consumo de energía en el mundo se incrementará en un 57% entre 2004 y 2030, a pesar de que se espera que el aumento de precios tanto del petróleo como del gas natural siga en aumento. Gran parte de este incremento será producido por el crecimiento experimentado en los países con economías emergentes. En el informe International Energy Outlook 2005 (IEO 2007) se prevé que el consumo de energía en el mercado experimente un incremento medio de un 2,5% por año hasta 2030 en los países ajenos a la OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico), mientras que en los países miembros será tan solo del 0,6%; así, durante este periodo, los países de la OCDE incrementarán su demanda energética en un 24%, mientras que el resto de países lo harán en un 95%. Las economías emergentes serán, con mucho, las responsables del crecimiento proyectado en el consumo de energía dentro del mercado en las dos próximas décadas. La actividad económica medida por el producto interior bruto como parámetro del poder adquisitivo, se espera que se incremente en un 5,3% por año en los mercados de los países fuera de la OCDE, frente al 2,5% de los países miembros. Las tendencias indican que el consumo de energía por sector puede estar sometido al ritmo de desarrollo económico por región. A escala mundial, los sectores industrial y de transporte son los que experimentarán un crecimiento más rápido, del 2,1% por año, en ambos sectores. Crecimientos

más lentos se producirán en el ámbito residencial y comercial, con un promedio anual estimado de 1,5 y 1,9% para el periodo entre 2002 y 2025. En los mercados consolidados, donde el crecimiento de la población se espera que sea muy pequeño o negativo, el sector comercial crece a un ritmo más rápido que en el resto de los sectores, y este incremento se basa en el desarrollo de las telecomunicaciones y equipamientos para oficinas y viviendas, situación que pone en evidencia el desplazamiento de una sociedad industrial a una sociedad de servicios. En los países de la OCDE, el incremento de consumo de energía en el sector transporte será del 0,9% entre 2004 y 2030, frente al 2,9% del resto de economías. Cifras similares se obtienen al comparar los consumos en otros sectores: industrial y residencial (0,6% frente a 2,4%) y comercial (1,2% frente a 3,7%). El consumo de energía primaria se refiere al total del consumo energético ingresado en un país. Se define como la cantidad total de recursos energéticos consumidos para cualquier uso, ya sea final directamente o para su transformación en otra forma de energía. El término puede incluir o no la energía consumida en usos no energéticos, es decir, la energía empleada no como combustible sino como materia prima, fundamentalmente en la industria. El indicador se expresa habitualmente en kilotoneladas equivalentes de petróleo (ktep). La demanda de energía primaria española en 2006 ascendió a 145.086 ktep, un 0,7% inferior a la registrada en el año 2005. El crecimiento medio anual de la demanda de energía primaria nacional en el periodo 1990-2006 fue del 2,9%, mientras que en la Unión Europea (UE-15) en el mismo periodo la cifra se situó cercana al 1%. Este cambio de tendencia con respecto al crecimiento de los últimos años en el consumo energético primario, ha venido acompañado de un cambio de tendencia también en las emisiones de gases de efecto invernadero, que venían creciendo continuamente desde el año 1990 y han decrecido en 2006: han pasado de superar en el año 2005 en un 53% a las del año 1990, a hacerlo en un 48% en el año 2006.

El confort y la repercusión en el consumo energético

131

Figura 10.1. Consumo de energía primaria en España.

En 2006 el petróleo fue la fuente energética más demandada en España, con el 48,9% del total, seguido del gas natural con el 20,9%, el carbón con un total del 12,8% y la energía nuclear con el 10,8%. Las energías renovables se sitúan a continuación con el 6,8% del total (este valor depende fuertemente del año hidráulico, habiendo sido 2006 un año favorable en este sentido). La energía primaria consumida en España supone, aproximadamente, el 8% del total de energía primaria consumida en la UE-25. A su vez, el consumo energético de la UE-25 representa en torno al 15% del total consumido en el mundo (11.059 Mtep en el año 2004). Del total mundial, el mayor porcentaje lo consume EE UU (21,5%), seguido

de la propia Unión Europea y de China, que representa el 13,5%. El consumo de energía primaria per cápita en 2006 en España, 3,7 tep/hab y año, se encuentra aún por debajo de la media de los países de la OCDE (4,7 tep/hab y año) y de la media de los países de la UE-25 (3,8 tep/hab y año). El promedio mundial se sitúa en 1,8 tep/hab y año. Desde 1990 hasta 2004 la tasa de crecimiento del consumo de energía primaria mundial ha sido del 28% destacando el crecimiento que han experimentado China e India (85% y 58%, respectivamente). La demanda, en el citado periodo, de energía energética primaria creció un 21% en EE UU, en Japón un 20% y la UE-25 un 12%.

Según un estudio elaborado en 2004 por la eléctrica Unión FENOSA, con el apoyo del Instituto para la Diversificación y el Ahorro Energético (IDAE) y las organizaciones de consumidores, los hogares españoles malgastan el 10% de la energía que consumen, con un coste anual de 700 millones de euros.

El estudio, basado en una encuesta realizada a 4.100 consumidores, concluía que con la energía que se derrocha en España en un año se podrían iluminar todo los estadios de fútbol de primera división durante 400 temporadas. Con lo que un solo hogar malgasta al año se podrían ver 11.000 horas de televisión o poner 500 veces la lavadora a plena carga.

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También revela que los españoles tienen un margen de un 10% para reducir su consumo energético sin cambiar su estilo de vida, llevando a cabo conductas economizadoras. Además las familias españolas pueden mejorar su equipamiento energético en un 40% sustituyendo equipos, debido, por ejemplo, a que los hogares a veces disponen de electrodomésticos algo más baratos que, a largo plazo, no resultan rentables por su mayor consumo de energía. Otra medida que contribuirá al ahorro energético será el cumplimiento del Código Técnico de Edificación, con lo que se conseguirá otro importante porcentaje de ahorro. Se ha comprobado que el gasto eléctrico de los aparatos “apagados”, en stand-by, que el 60% de los hogares tienen siempre en marcha y conectados a la red, consumen hasta un 10% del total de energía de la casa y es responsable del 1% de las emisiones de dióxido de carbono. Su potencia va desde medio vatio hasta 20, con lo que, de mantenerse todo el año enchufado, cuesta de medio euro a 20 euros aproximadamente. El despilfarro supone, según la Comisión Europea, unos 15.000 millones de euros anuales. Desde el punto de vista sociológico existe una identificación de estos hábitos con el confort. Es preciso llevar a cabo campañas de sensibilización para deslindar el confort del derroche. El Índice de Eficiencia Energética que, por segundo año consecutivo, elaboró Unión FENOSA en colaboración con el IDAE y asociaciones de consumidores, refleja que los hogares españoles ahorraron en 2005 un 2% más de energía que el año anterior. Esta mejora del 2% equivale a 326 GWh, lo que supone el consumo energético anual residencial de la provincia de Segovia, o bien 27 millones de euros, con lo que se podrían comprar 50.000 lavadoras con el etiquetado energético de consumo más eficiente. Asimismo, con este ahorro se ha evitado la emisión a la atmósfera de 312.225 toneladas de CO2 equivalentes a las emisiones que producirían todos los turismos de España al recorrer 200 kilómetros cada uno. El informe muestra que el sector doméstico tiende a ser más eficiente energéticamente, aunque esta evolución es lenta. Así, el Índice Doméstico de Eficiencia Energética alcanzó en 2005 los 6,23 puntos, mientras que el año anterior la cifra fue de 6,12. En la campaña de 2004, el 57% de los hogares obtenían una puntuación de 6 puntos sobre

10, mientras que el año pasado los hogares más eficientes crecieron hasta el 62%. En las sociedades industrializadas, la energía tiene que ser producida, almacenada, transformada y transportada para ser utilizada por el consumidor (persona, fábrica, maquinaria) en las diversas formas de luz, calor, fuerza y trabajo principalmente. Los costes económicos y medioambientales inherentes a este proceso se reducen en función de la cercanía entre el centro de producción y el del consumo final. De igual modo, del uso que se haga de esta energía va a depender una mayor o menor exigencia de su demanda. Como consecuencia de ello se desprende que un uso ajustado de la energía limita, no solo el consumo, sino también la producción. En una visión global en la que la energía es un mero instrumento al servicio del desarrollo y en la que este se encuentra ligado al bienestar, el aumento de aquella significa un incremento de este, y por tanto, cuanto mayor sea la producción y consumo de la energía mayor será el bienestar de la sociedad que lo disfruta. Las sociedades industrializadas buscan disponer también de un entorno saludable, y por ello, tratan de minimizar al máximo las consecuencias medioambientales que acarrea una producción energética con fuentes convencionales. Por ello, la apuesta que se realiza es la de favorecer el ahorro de energía a través de una mayor eficiencia en los materiales de consumo, habitabilidad, procesos industriales, transporte, etc., al mismo tiempo que se aplican sistemas de limitación del consumo mediante diferentes automatismos, e incluso se buscan fórmulas de aprovechamiento energético mediante sistemas de cogeneración, de modo que la energía desprendida en los procesos de transformación sea reutilizada, evitando así un nuevo gasto de producción. El sistema económico de las sociedades industrializadas ha establecido, para mantener la capacidad productiva creciente que lo sustenta, un paralelismo con el incremento de sus bienes de consumo, creando un mecanismo en el que se establece una equivalencia entre el confort y el consumo, lo que ha supuesto en las últimas décadas una avidez consumista, en donde el consumo es una finalidad en sí misma: acumular bienes útiles o no, el despilfarro como signo de poder adquisitivo y distinción social, la exigencia de gasto de elementos perecederos.

El confort y la repercusión en el consumo energético

Es así que la demanda de energía ha crecido, además de en la industria, en los consumidores de los productos manufacturados, ya que precisan más energía para cumplir con su fin. Para satisfacer esta demanda tanto de bienes como de exigencia de nuevas cotas de confort, se precisa una mayor generación y oferta de energía, habiendo sido necesario dotar de grandes centros generadores de energía excedentaria para poder satisfacer la demanda que pueda ser requerida en situaciones eventuales. Como se señaló en la Cumbre de Johannesburgo, en 2002: “El 15% de la población mundial que vive en los países de altos ingresos es responsable del 56% del consumo total del mundo, mientras que el 40% más pobre, en los países de bajos ingresos, es responsable solamente del 11% del consumo”. Y mientras el consumo del “Norte” sigue creciendo, “el consumo del hogar africano medio”, se añade en el mismo informe, “es un 20% inferior al de hace 25 años”. Globalmente, la distribución del consumo de energía se revela como profundamente desigual. Al observar el planeta por la noche desde el espacio (véase Figura 10.2), se pueden rastrear las diferencias de desarrollo entre los diversos países, con solo observar su grado de iluminación. Se percibe

Figura 10.2. Vista del planeta con iluminación nocturna.

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claramente el contraste entre los países desarrollados y ricos (Europa Occidental, Norteamérica, Japón, áreas de Extremo Oriente y Australia) con el inmenso vacío del continente africano, donde apenas destacan las leves luces del Magreb y de Sudáfrica y el resplandor del fuego de los pozos petrolíferos, que queman el gas natural de los yacimientos en el África Occidental. En la propia foto de la Figura 10.2 se puede también apreciar la sobrepoblación del litoral de América Latina, así como los inmensos espacios vacíos del interior del continente. Se observa también el crecimiento de la iluminación en los países del sudeste asiático, China e India, frente al descenso causado por el declive económico en algunos países del antiguo bloque soviético que aun así continúan reflejando una significativa industrialización y urbanización. Igualmente se podrían distinguir los grandes espacios vacíos, apenas habitados, en Asia Central, el Sahara, la Amazonía, las Montañas Rocosas, el gran norte Canadiense, el despoblado centro australiano o el interior de Siberia, y constatar la continua penetración de la civilización en esos últimos espacios cada vez menos vírgenes. También

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se observan las vías de colonización alrededor de las cuales se agrupan los nuevos núcleos de población y los efectos de los incendios forestales, cuyo resplandor es visible desde el espacio y que consumen millones de hectáreas de selva tropical. Se estima que el consumo de energía en los países desarrollados es 80 veces superior al del África subsahariana. Menos de la cuarta parte de la población mundial, la que habita en el mundo industrializado, consume las 3/4 partes del total de energía disponible. En el mundo hay 2.000 millones de personas que no tienen acceso a la electricidad y 1.200 millones que no disponen de agua potable. Existe una correlación, casi lineal, entre grado de desarrollo y consumo de energía por habitante, lo cual es lógico si se tiene en cuenta que el desarrollo económico de un país se relaciona con sus capacidades productivas, en el sector primario (agricultura, ganadería, pesca y minería), secundario (industrias) y terciario (servicios). Dentro de estos últimos juega un papel determinante el transporte que permite el comercio entre diversas comunidades humanas, y todas estas actividades suponen un elevado consumo de energía.

El consumo de energía en las familias no para de crecer, y el aumento del gasto se explica por la instalación de nuevos equipos (aire acondicionado, vitrocerámicas, cepillos de dientes eléctricos, etc.), junto a unas pautas cotidianas de consumo de cierto derroche, como dejar las luces encendidas en habitaciones vacías o mantener el televisor, DVD o video en stand-by. En cualquier vivienda, se puede encontrar alrededor de una veintena de aparatos eléctricos. Estos utensilios se adquieren, en principio, para que la vida sea más fácil y cómoda, y para dedicar menos tiempo a las tareas domésticas son generalmente aparatos que requieren importantes cantidades de materias primas, materiales (plásticos, metales, goma, embalajes etc.) y energía para su fabricación, y además finalmente suelen tener una vida útil relativamente corta. Normalmente tras una avería de estos pequeños electrodomésticos la mayoría de los consumidores opta por comprar otro más moderno, ya que su reparación suele ser más cara, creando directamente residuos difíciles de aprovechar.

El coste energético del confort El sistema económico de las sociedades industrializadas ha establecido, para sostener la capacidad productiva creciente que lo sustenta, un paralelismo con el incremento de sus bienes de consumo, creando un mecanismo en el que se establece una equivalencia entre el confort y el consumo, lo que ha supuesto en las últimas décadas una avidez consumista, en donde el consumo es una finalidad en sí misma: la de acumular bienes útiles o no; el despilfarro, en particular energético, como signo de poder adquisitivo y distinción social, o la exigencia de gasto de elementos perecederos. El ciudadano de a pie conoce muy poco lo que paga por el servicio eléctrico (en una encuesta realizada en 2006 se preguntaba al ciudadano a cuánto ascendía el precio mensual de la electricidad; más del 90% no lo sabía). Las conclusiones que se extraen son: •

Si la mayoría no conoce el coste es que el servicio es barato.

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De hecho, la repercusión diaria del consumo eléctrico es del orden de lo que cuesta una taza de café, es decir, alrededor de 1,1€. Es decir, más barato que la factura del teléfono, en términos generales. Otra conclusión muy diferente es conocer el coste real de generación del kWh. A partir del mix de generación eléctrica de los últimos años, el coste real de fabricación del kWh sería cerca del 40% superior al precio de venta actual. La diferencia, que da lugar al déficit tarifario, está subvencionada. Otro parámetro que no se tiene en cuenta en el precio de la electricidad es el coste de la incorporación de los impactos ambientales.

Si todo ello se tuviera en cuenta, el coste real debería ser mucho más elevado, posiblemente el doble.

población española

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LOS ESTUDIOS DEMOGRÁFICOS MUESTRAN EL AUMENTO DE LA POBLACIÓN EN LAS ZONAS COSTERAS •

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La densidad de población española, en 2008, era de 91,2 habitantes/km2, si bien en las grandes áreas metropolitanas supera los 500 habitantes/km2 y en las zonas despobladas no llega a los 20 habitantes/km2. La característica principal de la distribución de la población española es su irregularidad. Si bien la densidad de población ha ido aumentando sigue siendo una de las más bajas de la Europa Occidental. Las zonas más pobladas, el eje mediterráneo y Madrid, coincide con áreas muy secas de la Península. El mundo en general camina hacia una importante concentración de su población en grandes áreas urbanas, bien de habitación permanente, o bien de uso turístico; ambas se convierten desde el punto de vista ambiental en problemas. En España se están consumiendo de manera insostenible los recursos naturales del país. Es el alto precio que se paga por el actual modelo de desarrollo, la producción de alimentos y energía, la construcción de viviendas y la fabricación de bienes de consumo supone un empobrecimiento de la biodiversidad española. La superficie española transformada por el hombre se ha incrementado, un 26% en los últimos 15 años, lo que ha reducido el terreno natural. Para absorber todo el impacto generado por los habitantes y el desarrollo español, sería preciso una superficie dos veces y media la actual. Es decir, el sistema no es sostenible. La región más insostenible desde el punto de vista ecológico es Madrid, que necesitaría veinte veces más de capacidad biológica par atender a su población, seguida de la Comunidad Valenciana y la catalana. El fenómeno de la migración hacia las zonas costeras es universal. Si, además, en la costa el clima es más templado, el éxito está asegurado. Según el estudio del Center of Climate Systems Research, en 2025 la Tierra tendrá 7.900 millones de habitantes (1.400 más que los actuales). Esa población se concentrará más que hoy en el Sudeste asiático y la costa este de América del Norte y algunas regiones de Europa Occidental; mientras que zonas como el sur y este de Europa y Japón, así como el África

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Subsahariana y América del Sur, perderán pobladores. Se supone que las primeras escalas de los futuros emigrantes serán los países más desarrollados. En 2040, la población española será de 54.500.000 habita

Introducción La característica principal de la distribución de la población española es su irregularidad. La densidad de población ha ido aumentando a lo largo del tiempo (20,9 h/km2 1787; 32,9 en 1887) hasta situarse en los 91,2 h/km2 de 2008, siendo una de las más modestas de Europa Occidental. Pero este valor medio esconde claros desequilibrios espaciales entre áreas de concentración, que con más de 500 h/km2 superan con creces la media nacional, y áreas de despoblamiento, donde no se alcanzan los 20 h/km2. Las grandes zonas de población, con densidades superiores a la media, tienen una disposición periférica (Galicia, País Vasco, Cataluña, Comunidad Valenciana, Andalucía y ambos archipiélagos). En estas zonas, que incluyendo Madrid representan el 43,3% de la superficie total, vive el 69% de la población. Los grandes espacios vacíos, con densidades inferiores a la media, se localizan en el interior (ambas Castillas, Extremadura, Aragón, la Galicia interior) y áreas montañosas. Sobre este 56,6% del territorio, vive el 31% de la población total española. Este desequilibrio en la distribución de la población española tiene su origen en la Edad Moderna y se acrecentó en épocas recientes. En el siglo XVI las densidades más altas correspondían al centronorte, Castilla, pero la crisis económica del siglo XVII afectó especialmente al territorio castellano, provocando desplazamientos de población hacia la periferia. En el siglo XVIII la situación de origen se invierte, siendo las regiones insulares y litorales las de más altas densidades. El siglo XIX contribuyó a acentuar este desequilibrio y las regiones del interior, excepto Madrid, continuaron perdiendo importancia demográfica respecto a la periferia, unas veces por su alto crecimiento natural (Andalucía y Galicia), otras veces debido a la inmigración provocada por el proceso de industrialización peninsular (Asturias, País Vasco y Cataluña).

Los desequilibrios se agudizan en el siglo XX, especialmente desde la década de los años 60, acentuándose la emigración desde el interior hacia las zonas industriales tradicionales, a las que se añaden ahora las nuevas zonas turísticas mediterráneas e insulares. La crisis económica del 73, las reconversiones industriales de los 80, así como el regreso de emigrantes del extranjero producen un fenómeno de estabilización. Las áreas industriales pierden su capacidad de atracción, al tiempo que las zonas tradicionales de emigración iniciaban programas de desarrollo. Las tendencias actuales de distribución de la población española apuntan hacia la consolidación poblacional de Madrid, del eje mediterráneo y Canarias. La crisis y los problemas políticos han provocado fuertes descensos en Asturias y País Vasco, al tiempo que continúa el receso estructural en zonas castellano-leonesas. Un dato a destacar por lo que hace referencia al desequilibrio territorial es que las grandes áreas pobladas coinciden con zonas áridas o semidesérticas. Es obvio que estas zonas corresponden a áreas de escasos o irregulares regímenes pluviométricos, lo que incrementa la necesidad de infraestructuras. El mundo en general camina hacia una importante concentración de su población en grandes áreas urbanas, bien de habitación permanente, o bien de uso turístico; ambas se convierten, desde el punto de vista ambiental, en: • •

Necesidad de grandes infraestructuras de todo tipo. Grandes generadores de residuos, que es preciso gestionar como un grave problema, local y a veces global. Hay distintas soluciones para ello, que son vistas con diferentes ópticas. Por ejemplo, en el sur de Europa

La distribución geográfica de la población española

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se es más beligerante contra la incineración que en el norte. Demanda de agua, a veces en cantidades muy por encima de las disponibilidades del entorno, lo cual obliga a trasvases o a otras alternativas como es la desalinización, que siempre tendrán impactos ambientales. La gestión del agua es ya un grave problema, que se incrementará en el futuro. Consumo de alimentos y productos de todo tipo, que proceden de otros lugares, a veces muy lejanos. Muchas veces la sociedad no es consciente del impacto que esos consumos tienen en el medio ambiente de las zonas de procedencia; aparte de que el sistema de comercio da lugar a fuertes injusticias a la hora de repartir el valor del producto en destino, o los excedentes de su comercialización. Fuerte demanda de energía, tanto combustibles para automoción y otros usos, como electricidad. Las áreas urbanas españolas consumen más de la mitad de la demanda total de energía del país. La contribución de estos usos a la emisión de gases de efecto invernadero, y consecuentemente al cambio climático, y los problemas locales de las atmósferas urbanas contaminadas, son importantes.

Europa se desarrolló desde hace siglos en torno a las ciudades, con diferencias de un país a otro: unos tienen unas pocas macro urbes y otros tienen una distribución más homogénea. Algunos han dotado a las ciudades de infraestructuras de transporte colectivo y otros se basan en el automóvil, como es el caso español. La energía, su transformación y utilización, incluyendo el consumo de recursos y las emisiones de CO2, supone una parte mayoritaria de la huella ecológica, y a ella hay que añadir otros conceptos: agricultura, ganadería y pesca; producción de bienes de consumo; ocupación directa del territorio, infraestructuras; etc. En el actual modelo energético, la electricidad supone un tercio de la energía primaria. Proviene de diferentes fuentes: carbón, energía nuclear, gas natural, energía hidráulica, y se dirige tímidamente hacia una penetración de las energías renovables.

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El transporte ya consume en la Unión Europea otro tercio de la energía primaria total demandada. Pero en algunos países, como España, llega al 40% del consumo final directo. Es un concepto que se liga en su actual valoración, y en su incremento futuro, a varios aspectos: •

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Urbanismo: las ciudades compactas, que son un modelo frecuente en Europa, permiten una movilidad en transporte público o de forma peatonal. Pero es cada vez más frecuente el salto a otros conceptos de urbanismo que llevan a la utilización del vehículo privado; las ciudades españolas son, a esos efectos, muestra de un problema grave. Capacidad de inversión: las grandes concentraciones urbanas precisan de infraestructuras, preferentemente de ferrocarril de cercanías o tren suburbano, para tratar de ser sostenibles. Esto supone unas inversiones que no siempre se pueden acometer en los países empobrecidos, lo que es una triste realidad. El presupuesto de un país, y la forma de su distribución, es determinante al respecto, los países guía de Europa posibilitan que los municipios dispongan de un tercio de los presupuestos públicos globales. España se encuentra a medio camino entre Europa y ese mundo empobrecido. Los presupuestos municipales, que son del orden de un sexto de los globales, no alcanzan para que el metro se haga en paralelo al desarrollo urbano, que llega a veces después de treinta años de que la gente viva en un barrio, por ejemplo, el de El Pilar en Madrid. Turismo: es una fuente de creación de empleo, y de crecimiento económico. Pero el turismo implica movilidad, que en general no se hace de forma eficiente. Francia e Italia tienen un importante desarrollo turístico basado en su patrimonio artístico, para el cual el transporte colectivo, tren y autobús es una opción, que se debería utilizar con más frecuencia. España es el primer país europeo por ingresos por este concepto. La movilidad se relaciona en gran medida con la conexión con otros países mediante el avión, y la movilidad interna en automóvil; esta última

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también muy frecuente para los desplazamientos del turismo doméstico. Se configura así un concepto de elevado consumo energético y se amplía la huella ecológica. Empleo: la diferente estructura de empleo de cada país se une al tipo de movilidad que demanda. El desplazamiento de forma estable a lugares concretos, y con horarios conocidos, diversificados y adecuados, puede favorecer el uso mayor del transporte colectivo; el empleo cambiante y poco consolidado induce a una movilidad más flexible, que se une al uso del automóvil, si el trabajador accede a él. España se sitúa en buena medida en este segundo esquema.

La energía es un concepto clave en el esquema de vida actual, en el acceso a productos y servicios, y en el desarrollo económico. La Revolución Industrial trajo cambios sustanciales en el esquema energético, se avanzó en el uso de los combustibles fósiles, que hoy suponen el 80% del consumo total. Pero además, desde los inicios del siglo XX, la energía se ha globalizado, el paso hacia el consumo de petróleo ha llevado a un fuerte comercio internacional de este combustible, y a confrontaciones y guerras. En España se están consumiendo de manera insostenible los recursos naturales del país. Es el alto precio que se paga por el actual modelo de desarrollo: la producción de alimentos y energía, la construcción de viviendas y la fabricación de bienes de consumo supone un empobrecimiento de la biodiversidad española. Lo que consume cada persona tiene un impacto en la naturaleza o en la biocapacidad, es decir, en los recursos naturales máximos que tiene un país para realizar una actividad y absorber sus impactos. Los recursos que necesita cada ciudadano en España equivalían, en 2005, a 6,4 hectáreas de media (más de seis campos de fútbol), según se ha

comentado en la Parte I, mientras que la biocapacidad del país era de 2,43 hectáreas por habitante, lo que significa un déficit ecológico de un 264%. Además, esta huella ha aumentado un 19% entre 1995 y 2005, según datos de un estudio elaborado por el Ministerio de Medio Ambiente en 2004. Se necesitan más de “dos Españas” para absorber todo este exceso. Para calcular este impacto, se ha analizado el territorio agrícola y de pastos, superficie forestal, áreas marinas productivas, urbanismo, agua, territorio para absorber CO2 y una reserva del 12% de la superficie total para biodiversidad. La superficie española transformada por el hombre se ha incrementado, un 26% en los últimos quince años, lo que ha reducido el terreno natural. Los aumentos más significativos se han producido en Cuenca (un 65% más de superficie urbanizada entre 2000 y 2005), Teruel (50%), Albacete (42%), Almería (35%) y Castellón de la Plana (27%). El incremento de población también tiene una repercusión en los ecosistemas, ya que la superficie de España sigue siendo la misma, pero el censo ha aumentado de manera significativa en los últimos cinco años y el consumo de bienes y servicios se ha disparado. Por comunidades autónomas, entre las más insostenibles destaca Madrid, que necesita casi veinte veces más de capacidad biológica de la que tiene para atender a su población. Los archipiélagos canario y balear, la Comunidad Valenciana y Cataluña, con grandes concentraciones de población y un elevado consumo, también presentan déficits ecológicos. En el resto del planeta, la situación no es mucho más alentadora. EE UU, Europa, China e India superan en más del 200% la capacidad ecológica de sus regiones, en Japón, es del 560%. Este conjunto de países utiliza el 75% de la biocapacidad de la Tierra, según el estudio. Los principales responsables de la huella ecológica mundial son la tala de bosques, la presión por el agua potable y las emisiones de CO2 debido al consumo energético.

La migración hacia las costas Las costas, donde se aglutinan la mayoría de los centros poblados del planeta, seguirán atrayendo multitudes por la facilidad en el acceso a sus recur-

sos económicos y su bonanza climática. En 2025, la densidad de población de las franjas de tierra de 100 kilómetros que costean el mar aumentará en un 35%

La distribución geográfica de la población española

respecto de la que vivía en 1995. Si se da crédito a la hipótesis de un calentamiento global, ese desplazamiento expondrá a 2.750 millones de personas a los riesgos del crecimiento del nivel del mar. Tal vez, el intento más ambicioso para reconstruir la enorme travesía humana es el Proyecto Genográfico, una iniciativa en la que se aliaron la National Geographic Society, IBM y la Waitt Family Foundation. Usando una de las herramientas más fiables, la herencia genética que se transmite casi sin cambios a través de miles de generaciones, este programa propone registrar los primeros pasos de esa larga caminata que empezó en el este de África y colmó el planeta de gente. Gente que no tiene en mente quedarse quieta, por lo menos en los próximos veinte años, según muestra otro estudio, esta vez liderado por el Center of Climate Systems Research de la Universidad de Columbia (EE UU), en el que la población se concentrará cada vez más en las zonas que ahora tienen mayor densidad. Tal vez ese problema se resuelva con un nuevo viaje desde la costa hacia el interior. Antes de aventurarlo, conviene volver a los primeros pasos que dieron un centenar de hombres en África, 70.000 años atrás. Aquella vez no habría sido una inundación, sino una gran sequía producida por el comienzo de la glaciación lo que impulsó a los primeros viajeros a buscar una vida mejor. Sucede que el código genético humano es 99,9% idéntico en toda la especie. El 0,1% restante es lo que nos hace diferentes y, también, lo que se trans-

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mitirá a la descendencia. Así, varias generaciones después se mantendrá el mismo marcador genético en dos personas que comparten el mismo antepasado. Si se comparan esos marcadores en distintas poblaciones, los científicos pueden trazar conexiones y hallar un origen común. Hay dos componentes genéticos a los que los científicos prestan más atención. Uno, llamado ADN mitocondrial, pasa intacto por vía materna; el otro, el cromosoma Y (que determina el sexo masculino), se mantiene de padre a hijo. La demografía y genética pueden intentar pronosticar para afrontar mejor lo que viene. Uno de los centros especializados, el Center of Climate Systems Research, hizo un cálculo sobre cómo se redistribuirá la gente hasta 2025. A partir de dos mapas que mostraban la densidad de población en 1990 y 1995, se dividió al mundo en nueve millones de cuadrículas. Se analizó el crecimiento y movimiento demográfico que hubo en cada una de ellas y se extrapolaron esos cambios a 2025. Según el estudio, en ese año la Tierra tendrá 7.900 millones de habitantes (1.400 más que los actuales). Esa población se concentrará más que hoy en el sudeste asiático y la costa este de América del Norte y algunas regiones de Europa occidental, mientras que zonas como el sur y este de Europa y Japón, África Subsahariana y América del Sur, perderán pobladores. Se supone que las primeras escalas de los futuros emigrantes serán los países más desarrollados.

Previsiones de la población de España en las próximas décadas El Instituto Nacional de Estadística (INE), la ONU y Eurostat han realizado previsiones sobre la evolución de la población española. A escala mundial la ONU prevé, entre el 2005 y 2050, un crecimiento del 40,4%, siendo en África del orden de un 113,8%, un 33,6% en Asia, mientras que Europa puede caer en un -10,3 %. Las previsiones de la ONU para España indican un muy ligero crecimiento hasta 2025 y un ligero descenso posterior. El INE ha realizado una previsión, a partir del 2001, considerado dos escenarios diferentes para realizar sus previsiones: en el primero (E1) plantea

que la entrada de extranjeros en España continúa con la tendencia existente hasta el 2006; en el segundo (E2) las circunstancias son las mismas hasta el año 2006, pero a partir de dicho año considera una entrada de extranjeros constante de aproximadamente 100.000 al año, muy al contrario de lo que está realmente sucediendo estos últimos cinco años, con un crecimiento aún mayor de la inmigración que el previsto en E1. Estas previsiones se muestran en las gráficas de la Figura 11.1. La discrepancia en las predicciones del INE, respecto a las de la ONU, podría explicar-

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se por que en esta última no se ha tenido en cuenta a la población inmigrante. También en la figura se han indicado las previsiones para los años 2035 y 2060 presentadas por Eurostat en 2008, donde se indica que en 2035 España superaría ligeramente los 53 millones, con un crecimiento acumulado del 17,1% respecto 2008, siendo este uno de los valores más altos de Europa, solo superados por Irlanda, Chipre, Luxemburgo y Noruega. La previsión del INE, E1 para el 2040, es de unos 52,4 millones de habitantes, valor relativamente próximo al de Eurostat. Sin embargo, se observa una desviación entre la previsión E1 del INE y los datos oficiales, padrón oficial, del 2007 y 2008, diferencia que alcanza los 1.689.281 de habitantes a fecha de 1 de enero del 2008. Si esta cifra se suma de forma constante a la E1 se alcanzan los 54,23 millones en el 2040, y si además se ajusta por el incremento de población que va a generar esta diferencia de población entre 2008 y 2040 se alcanzan los 54,54 millones de habitantes para España en 2040. La serie INE E1 con referencia al padrón oficial del 2008 y la correspondiente corrección también está representada en la Figura 11.1. Interpolado esta serie al año 2035 da 53,75 millones que corresponde, casi exactamente, con los 53,0 millones de la previsión para el 2035 de Eurostat si se

tiene en cuenta que ésta toma como referencia los 45,283 millones para el 2008 cuando en el padrón oficial se sitúa a 46,158 millones, es decir, 0,875 millones reales de más. El valor calculado de 54,54 millones para el 2040 es el más elevado de las distintas previsiones, pero ello es consecuencia de que se ha tomado, como valor de partida, en 2007 y 2008 también los más elevados que dan el padrón municipal. A su vez, este valor de 54,54 millones, al ser un poco más elevado, resultará también algo más desfavorable en cuanto al consumo de energía y contaminación, razón por lo que se ha tomado como referencia. Matemáticamente, este valor se obtiene considerando un crecimiento acumulativo lineal del 0,571% anual a partir de los 45,2 millones de habitantes que da el padrón municipal del 2007. Como se ha indicado, se ha utilizado el valor oficial del padrón municipal, que es el publicado por el BOE, aunque el INE también suministra otras cifras como las estimaciones de población, con la que están realizadas las otras previsiones. En todos los últimos años, entre 2002 y 2008, hay una diferencia significativa entre la población estimada y la del padrón municipal, que en algún año supera el millón de personas, y que en el 2008 alcanza las 874.573 personas.

Figura 11.1. Evolución de la población en España según INE, ONU, Eurostat. También se adjunta la extrapolación de los valores del INE en el escenario 1 tomando como referencia la población del Padrón oficial desde el 2002 al 2008.

Territorio, energía e impactos ambientales de los sistemas de generación de electricidad. Valoración de los impactos ambientales

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EL IMPACTO AMBIENTAL DE LA ENERGÍA PROCEDENTE DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES ES INFINITAMENTE SUPERIOR A LAS PROCEDENTES DE LAS EERR. • •

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La generación de energía, en cualquiera de sus formas, implica un impacto más o menos intenso en el territorio. Los impactos varían mucho de una forma de generación a otra. Por ejemplo, las radiaciones ionizantes no solo proceden de las actividades de las centrales nucleares. Las cenizas del carbón también suelen serlo, si bien en menor medida. En el caso español, los impactos sobre el territorio y el medio ambiente producidos por las centrales de lignito y carbón son los más importantes. Las centrales termoeléctricas de carbón son, en cuanto a emisión de CO2, el primer contribuyente. Mundialmente esta fuente puede superar la emisión procedente del transporte. A escala mundial, está previsto que el 51% de las emisiones de CO2, procederán de la quema de carbón. Las centrales nucleares actuales, si bien no emiten CO2, rara vez agotan el combustible más allá del 5%. Ello supone un gran problema, además de un despilfarro o ineficiencia energética. Las centrales nucleares han evolucionado muy poco en los últimos 60 años. Se debería esperar a la llegada de las centrales de tercera generación para renovar el parque. Las centrales de energía renovable también tienen su impacto, básicamente visual o de alteración del medio marino, como acontece con las centrales maremotrices. Se calcula que un 0,3% de la energía solar se convierte en olas que tienen un gran potencial energético, en particular en el litoral cantábrico y la costa gallega. Sin embargo, su aprovechamiento supone un impacto en el mar. La energía eólica en tierra se halla muy desarrollada (el mayor impacto procede del ruido, si bien con las nuevas generaciones de palas, el nivel sonoro se ha reducido muchísimo) pero no está exenta de críticas por parte de grupos conservacionistas. En España, estos mismos grupos se oponen a la implantación de la energía eólica marina, que tiene un potencial superior a la terrestre. La generación de electricidad a partir de las centrales termosolares tiene un gran futuro en la España soleada, pero ello supone una gran ocupación de terreno. La valoración cuantitativa de los impactos ambientales (véase Tabla 12.4) pone de manifiesto el abismo que existe entre los sistemas convencionales y los procedentes de las energías renovables.

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Introducción Actualmente, la mayor parte de la electricidad se genera a partir de la combustión de combustibles fósiles, lo que implícitamente significa emitir a la atmósfera ingentes cantidades de gases que favorecen el efecto invernadero. La ventaja de los combustibles fósiles es que la electricidad puede generarse cerca de donde hace falta, aunque también es cierto que las reservas de combustibles fósiles son finitas y el transporte es importante. Pero no es únicamente la contribución al efecto invernadero lo que desaconseja la dependencia excesiva de las fuentes energéticas de origen no renovable. De acuerdo con la extensión de los efectos que generan la extracción, el transporte y el consumo de combustibles fósiles, se habla de impactos medioambientales a escala global, cuyos efectos pueden tener repercusión en grandes espacios, como la lluvia ácida o el calentamiento global, o de ámbito local, como sería la generación de cenizas volantes o la afección a flora y fauna. La generación de energía eléctrica, en cualquiera de sus formas, implica un impacto más o menos intenso sobre el medio ambiente. La obtención de las fuentes de energía presenta un fuerte impacto en las fases de minería y extracción, una afección en la etapa de la transformación (refinerías) y transporte y generalmente un impacto muy importante durante la fase de generación de electricidad. Las repercusiones ambientales del uso de la energía eléctrica abarcan a los tres vectores clásicos del medio ambiente, según se ha comentado en el Capítulo 8 de la Parte I: atmósfera, agua y suelo. Especialmente afectada es la primera por las emisiones contaminantes de azufre, plomo, NOx,

CO2, COV, CO, material particulado y metano. La segunda, por las modificaciones que sufre el agua sobre todo a causa de los sistemas de refrigeración y el suelo, sobre todo en el caso de la extracción del carbón, que afecta al medio físico y paisajístico. Además, existen otro tipo de impactos que también pueden llegar a ser significativos: ruido, ocupación y erosión del suelo, impacto visual, afección sobre la biodiversidad y el paisaje, etc. En contraposición a los combustibles de origen fósil, las energías renovables presentan impactos reducidos, que afectan en todo caso a escala local, y cuya vigilancia y corrección es de una magnitud inferior a la de los impactos que ocasionan los combustibles fósiles. El aprovechamiento de los propios recursos naturales, como la materia orgánica, cumple una doble finalidad: eliminar residuos del medio ambiente y minimizar el uso de combustibles fósiles. Así, los recursos más asequibles son la biomasa forestal, la biomasa procedente de las actividades agrícolas y/o ganaderas, y los residuos industriales derivados de las industrias de transformación de madera y papel, además de los RSU. Diversos informes y estudios publicados en la Unión Europea, especialmente, el Libro Blanco de las Energías Renovables, estiman que una parte de los impactos ambientales y el agotamiento de los recursos energéticos pueden minimizarse modificando la actual estructura energética, proponiendo un mix energético en la generación de electricidad que incluya un porcentaje notable de energías renovables en el total de la energía primaria.

Impactos ambientales de la generación de electricidad Desde el punto de vista ambiental, las principales incidencias causadas por la generación de energía eléctrica se pueden agrupar en las siguientes categorías de impacto: •

Calentamiento global. Se puede afirmar que actualmente el contenido atmosférico

•

de gases de efecto invernadero es un 25% superior al existente hace 160.000 años, por lo que deberían reducirse entre 50% y 60% las emisiones globales actuales. Destrucción de la capa de ozono. El Protocolo de Montreal relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono (1987) propu-

Territorio, energía e impactos ambientales derivados del sistema de generación de electricidad. Valoración de...

•

•

•

•

•

•

•

so eliminar la emisión de todas las sustancias que destruyen la capa de ozono (CFC, halones, HCFC). Acidificación. La lluvia ácida está causada por el elevado contenido en azufre de los combustibles, que combinado con el oxígeno, forma SO2, principal responsable del fenómeno de la acidificación. Eutrofización. Este impacto está relacionado con la elevada presencia de nitratos y fosfatos en aguas. Metales pesados. La presencia de ciertos elementos (Pb, Cd, Hg) en agua, atmósfera y aire supone un grave riesgo para la salud a causa de su carácter bioacumulativo. Sustancias carcinógenas. La presencia de benzo(a)pireno y PAH (hidrocarburos poliaromáticos) pueden ser causas de cáncer. Niebla de invierno. Está causada por la presencia en la atmósfera de SO2 y partículas en suspensión durante los periodos invernales. Niebla de verano, determinada por la existencia en la atmósfera de hidrocarburos y compuestos aromáticos, y agudizada durante la época estival. Radiaciones ionizantes. Hay que hacer notar que las radiaciones no son exclusivas de las actividades de generación de electricidad de origen nuclear. Durante la formación

•

• •

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de los depósitos de carbón, se acumularon gran cantidad de isótopos radioactivos. Al quemar el combustible, una parte de los isótopos se emiten a la atmósfera y otra parte pasa a formar parte de las cenizas. Residuos sólidos, que implican problemas de gestión y tratamiento, pero que pueden minimizarse con propuestas para su reutilización, reciclaje y valorización. Residuos radiactivos. Agotamiento de recursos energéticos, únicamente asociado a los combustibles fósiles.

La Tabla 12.1 muestra los principales outputs asociados a cada una de las categorías de impacto. Para cada una de las categorías de impacto ambiental anteriormente mencionadas se establece un valor de referencia, y el resto de sustancias que contribuyen a cada una de las categorías de impacto están referidas a dicho valor. La Tabla 12.2 muestra los valores de referencia para cada categoría de impacto. Estos parámetros de referencia son los que se emplean para comparar los diferentes impactos. Lo que no está tan claro, a escala global, es el efecto relativo de un componente en relación al valor de referencia. Así, por ejemplo, una central térmica suele emitir SOx, debido al azufre presente en el combustible, y NOx, a causa de las elevadas temperaturas. Ambas sustancias, SOx y NOx,

Tabla 12.1. Relación de las categorías de impacto y sus sustancias contaminantes. Categoría de impacto

Outputs

Calentamiento global

CO2, N2O, CH4, CCl4, CFC-11, CHCl3, etc.

Destrucción de la capa de ozono

CFC, CCl4, halones, HCFC, etc.

Acidificación

NOx, SOx, HCl, HF, NH3, NO, etc.

Eutrofización

NH3, nitratos, NOx, NO, fosfatos, etc.

Metales pesados

Pb, Cd, Mn, Hg, As, etc.

Sustancias carcinógenas

Benzo(a)pireno, PAH, Cr(VI), C6H6, etc.

Niebla de invierno

Partículas, SO2, etc.

Niebla de verano

Eteno, acetona, butano, fenol, etc.

Radiaciones ionizantes

85

Residuos sólidos

Vertidos, gases, compostaje, etc.

Residuos radiactivos

Alta, media y baja actividad, estériles de planta

Agotamiento de recursos

Carbón, petróleo, gas natural y uranio

Kr, 210Pb, 14C, 234U, 58Co, 55Fe, etc.

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Tabla 12.2. Valores de referencia para cada una de las categorías de impacto.

Categoría de impacto

> <


CO2 (kg equiv.)

Destrucción de la capa de ozono

CFC (kg equiv.)

Acidificación

SO2 (kg equiv.)

Eutrofización

Fosfatos (kg equiv.)

Metales pesados

Pb (kg equiv.)


PAH (kg equiv.)

Niebla de invierno

SO2 (kg equiv.)

Niebla de verano

Eteno (kg equiv.)


(Sin unidad de referencia)

Residuos sólidos

Residuos destinados a vertederos convencionales


Residuos de media y baja actividad


Mtep

pertenecen al mismo grupo “acidificación”. Si la cantidad de ambos contaminantes es la misma, es difícil aventurar si el efecto combinado equivale al doble del de SOx.

CENTRALES TÉRMICAS DE LIGNITO En el año 2000 y a escala mundial, las emisiones de CO2 procedentes de la quema de carbón equivalían a 9 Gt (1 gigatonelada son 1.000 millones de toneladas), mientras que las globales eran de 24 Gt. Es decir, el carbón era responsable directo del 37,5% de las emisiones de CO2. Según las previsiones, en 2050 el porcentaje superará el 51%, ya que sus emisiones alcanzarán las 32Gt, frente aun total de 62 Gt. Es importante citar los impactos producidos por la generación de electricidad a partir del carbón ya que, en España, esta cifra sobrepasa, según año, el 25% en el mix. El lignito es un combustible fósil de bajo poder calorífico. En cada una de las fases de minería y extracción, tratamiento, transporte y combustión para la producción de energía eléctrica, genera importantes cantidades de residuos sólidos, además de contaminación al medio acuático y a la atmósfera. Su utilización se circunscribe a las centrales eléctricas a pie de mina, con explotación a cielo abierto. Necesita pretratamiento y la combustión

se realiza con tecnologías especiales y aditivos (especialmente caliza). La energía térmica producida en la combustión se transfiere a un ciclo de Rankine agua-vapor, del que se extrae energía mecánica a través de una turbina, consumiendo notables cantidades de agua en el condensador, en el caso de emplear torres de enfriamiento. A causa del azufre contenido en el combustible, el lignito tiene una contribución muy importante sobre la acidificación. En el caso de los gases de combustión, la única forma de reducir el impacto consiste en el lavado de los mismos. Estos, debido a la presencia de azufre, deben someterse a una ducha de lechada de cal para precipitar el contaminante en forma de yeso. Sobre el territorio son especialmente importantes las cantidades de cenizas volantes que se depositan en las inmediaciones de la central. Un impacto importante de las centrales térmicas de carbón lo constituyen los metales pesados presentes en las cenizas y escorias.

CENTRALES TÉRMICAS DE CARBÓN El carbón, entendido en este caso como mezcla de hulla y antracita, es un combustible de alto poder calorífico. La generación de electricidad a partir de las centrales térmicas de carbón, como en el anterior caso del lignito, produce importantes impactos en todas sus fases de utilización: minería


y extracción, tratamiento, transporte y combustión. Genera grandes cantidades de residuos sólidos, así como contaminación directa a agua y atmósfera. La explotación de carbón se efectúa en minas a cielo abierto o subterráneo, necesitando pretratamiento antes de su combustión. Como en el proceso de combustión de lignito, la energía térmica producida por el carbón se transmite a un ciclo Rankine agua-vapor obteniendo energía mecánica a través de una turbina. A raíz de las consecuencias del cambio climático y ante la inercia de poner en marcha un decidido plan de energías renovables, paulatinamente se va imponiendo el concepto de carbón limpio, es decir, el conjunto de tecnologías que permitan su empleo masivo sin las servidumbres que su conversión energética entraña. El principal objetivo de futuro en el uso del carbón tiene que ver con la gasificación, donde el gas de síntesis generado puede usarse en una turbina de gas, convirtiéndolo en un proceso eficiente (sobre todo en ciclo combinado) y no contaminante. No obstante, es obvio que la cantidad de CO2 emitida seguirá siendo de origen fósil. En el caso de España resulta un modelo incompatible con el cumplimiento del Protocolo de Kyoto. Otra modalidad de tecnología limpia para el empleo del carbón es su combustión en lecho fluidizado usando la piedra caliza como parte del árido, con lo que en general disminuyen las emisiones, aunque aumentan las de CO2. Otra modalidad, muy experimentada en Sudáfrica, es la obtención de combustibles líquidos a partir del carbón. Finalmente es de esperar que en el decurso de las próximas décadas, las técnicas del secuestro de CO2 sean una realidad.

CENTRALES TÉRMICAS DE PETRÓLEO Uno de los combustibles básicos derivados del petróleo y utilizado en la generación de electricidad es el fuelóleo. A lo largo de todas las fases de su ciclo de vida (incluyendo la etapa de refino) se libera a la atmósfera principalmente SO2, CO2, NOx, CH4, CxHy y metales pesados. En el agua se suelen verter grasas y aceites, pero también genera residuos sólidos (lodos, fangos, escorias y cenizas). La utilización del ciclo de Rankine agua-vapor o del ciclo diesel permite el aprovechamiento del calor residual.

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En el mundo occidental no es frecuente el empleo de fuelóleo para producir electricidad en ciclo de Rankine. En cambio, sí existen muchas unidades de cogeneración que emplean este combustible. A ello contribuye el hecho de que el rendimiento eléctrico de un motor diesel de gran tamaño en ciclo abierto puede alcanzar el 45%, al margen de que pueden aprovecharse los calores residuales.

CENTRALES DE CICLO COMBINADO DE GAS NATURAL En generación de energía se conoce como ciclo combinado a la coexistencia de dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema: uno cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión y otro cuyo fluido es vapor de agua. En el caso de una central de generación de electricidad el ciclo de gas produce energía eléctrica mediante una turbina de gas y el ciclo de vapor de agua lo hace mediante una o varias turbinas de vapor. Se basa en la utilización de los gases de escape a alta temperatura de la turbina de gas para aportar calor a la caldera o generador de vapor de recuperación, que alimenta, a su vez, de vapor a la turbina de vapor. Una de las ventajas del ciclo combinado es su alta eficiencia, ya que se obtienen rendimientos superiores al rendimiento de una central de ciclo abierto y también mayores que los de una de turbina de gas. Aumentando la temperatura de entrada de los gases en la turbina de vapor puede obtenerse un rendimiento global del 55%. El límite actual es la resistencia a altas temperaturas de los materiales cerámicos empleados en el recubrimiento interno de las cámaras de combustión de las turbinas. Todas las fases del ciclo de vida de la generación de electricidad a partir de gas natural (minería y extracción, transporte y combustión) producen diversas emisiones a agua y atmósfera, además de generar estériles, lodos y resinas como residuos sólidos. Como principales contaminantes cabe citar, al margen de la cantidad de CO2 de origen fósil, la emisión de NOx y CH4, fundamentalmente durante la fase de transporte. El principal impacto atmosférico suele ser la emisión de NOx como consecuencia de la elevada temperatura producida en la cámara de combustión. Hoy en día se trabaja en la forma de introducción del aire en la cámara de combustión, de

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manera que no se produzcan focos de alta temperatura.

CENTRALES NUCLEARES La energía nuclear proviene principalmente de las reacciones de fisión de un átomo en las que se libera energía. Al principio fue muy bien acogida a causa de su elevada densidad energética, ya que 1 kg de uranio produce aproximadamente la misma energía que 1.000 toneladas de carbón. En el año 1960 había doce centrales nucleares funcionando a pleno rendimiento: antigua Unión Soviética (3), EE UU (3), Reino Unido (2), Francia (2), Alemania (1) y Bélgica (1). A pesar del fuerte rechazo mostrado por la población a causa de posibles accidentes, lo que desafortunadamente ocurrió en EE UU (Three Mile Island, 1979) y en la antigua Unión Soviética (Chernóbil, 1986), en el año 2000 se contabilizaron hasta 487 reactores nucleares repartidos en 31 países, con una potencia instalada de 351.000 MW, que produjeron más de 2.430 GWh de energía, lo que representó un 25% de la electricidad obtenida en todo el mundo. En el año 2000 en cuatro países la contribución de energía nuclear a la producción de electricidad era superior al 50%: Francia (76,4%), Lituania (73,7%), Bélgica (56,4%) y República Eslovaca (53,4%).

El sistema más utilizado consiste en la fisión controlada de 235U (uranio 235), empleada para convertir agua en vapor, capaz de mover una turbina que genera electricidad. Como muestra la Figura 12.1, una central nuclear está formada por un reactor donde se produce la fisión nuclear, un generador de vapor, una turbina que produce electricidad y un condensador que enfría el vapor, convirtiéndolo en agua. Existen dos tipos de reactores nucleares de fisión: • •

BWR (boiling water reactor), donde el vapor de agua va directamente a la turbina. PWR (pressurized water reactor), donde existen dos circuitos de vapor.

El reactor y el generador de vapor se encuentran dentro de un edificio de acero que evita que, en caso de accidente, salga radiación al exterior. Las paredes son de hormigón armado, tienen unos dos metros de espesor y son capaces de soportar terremotos e incluso choques de aviones. La generación de energía nuclear, el 100% de la cual se destina a la producción de electricidad, aumentó en 5·1011 kWh en la última década del siglo XX. Las centrales nucleares, a pesar de estar sometidas a niveles muy exigentes de explotación, constituyen uno de los principales focos de generación de impactos ambientales de las actividades energéticas, principalmente los relacionados con

Figura 12.1. Esquema de funcionamiento de una central nuclear.


la generación de residuos radiactivos a lo largo de su ciclo de vida. La energía nuclear es la industria con más limitaciones, restricciones y regulaciones que existe. Por ejemplo, el agua usada en la condensación del vapor solo se permite que aumente la temperatura del fluido refrigerante en 3 ºC. Desde el punto de vista energético, la mayor crítica que puede hacerse es que haya progresado poco en su desarrollo. Los dos principales factores limitantes son: •

•

Las centrales nucleares rara vez agotan el combustible más allá del 5%. Ello supone un gran problema, además de un despilfarro, o ineficiencia energética. La temperatura del vapor no es muy elevada, lo que repercute en el rendimiento del ciclo de Rankine.

La moderna central nuclear que se está construyendo en Finlandia, cuando se ponga en funcionamiento en 2010, presentará las siguientes particularidades: • • • • •

Tamaño intermedio (1.600 MWe). Rendimiento global del 37,2% (el combustible fisionable equivale a 4.300 MWt). Coste de 3 billones de €. Podrá usar otros combustibles: Th, MOX, etc. Podrá llegar a agotar hasta un 15% del combustible (este no es un dato nada despreciable ya que las centrales actuales raramente agotan el combustible más del 2% al 5%).

Además de su elevada densidad energética, una de las ventajas del combustible nuclear es su abundancia en la naturaleza, en particular el torio. Conviene destacar el uranio y el torio, mientras que el plutonio se produce en reactores mediante reacciones de captura de neutrones con 238U. El uranio mineral está formado por dos isótopos: 238U (99,3%) y 235U (0,7%). A pesar de ser más abundante que el uranio, el torio únicamente presenta un isótopo, el 232 Th, por lo que su empleo en las centrales nucleares es más limitado. El ciclo del combustible comienza con las etapas de minería y extracción, seguido de enriquecimiento y transporte hasta las centrales nucleares. Después de su utilización en los reactores, los residuos se almacenan temporalmente antes de trans-

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portarlos hasta la planta de recuperación de uranio y plutonio, siendo los restantes residuos de alta actividad los que se almacenan definitivamente. Los principales países productores y consumidores de combustible nuclear son EE UU, Francia y Japón. El factor de reducción que debe asignarse a los residuos radioactivos siempre es polémico, al igual que otros muchos aspectos relacionados con el sistema energético nuclear. A pesar de las discrepancias que pueden surgir, se considera que la peligrosidad asociada a los residuos de media y baja actividad es reducida, mientras que el riesgo asociado a los residuos de alta actividad es más elevado debido tanto a su largo período de semidesintegración como a su radiotoxicidad.

CENTRALES DE ENERGÍAS RENOVABLES No existe un solo método de transformación de energía que no ejerza un impacto sobre el medioambiente. Es recomendable meditar sobre un hecho bien común. Se ha oído, visto, publicado y denostado la gran afectación que sobre el territorio produce (o producirá) un parque eólico. No obstante, nadie añade que la autopista, o el tren, desde el cual es visible el conjunto de generadores eólicos, es también un tremendo impacto sobre el territorio (normalmente de mucha mayor entidad). La diferencia estriba en que a estos últimos ya estamos acostumbrados y a los otros no. Las centrales de energías renovables, si bien en una escala infinitamente menor, también presentan ciertos impactos medioambientales. Energía oceánica

La energía que puede extraerse del océano puede ser de tipo mareomotriz (mareas), undimotriz (a partir de las olas) y térmica oceánica. La energía mareomotriz aprovecha la energía cinética de las mareas provocadas por la atracción gravitatoria del Sol y de la Luna. La energía mareomotriz total disponible es del orden de 3·1010 MW, de la que únicamente se aprovecha una ínfima parte. El rendimiento de estas centrales es del 25%. Una central mareomotriz consiste en encauzar el agua de la marea en una cuenca accionando las turbinas de una central eléctrica. Cuando las aguas se retiran, también generan electricidad, usando un ge-

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nerador de turbina reversible. La Figura 12.2 muestra un esquema de una central mareomotriz.

Figura 12.2. Esquema de una central mareomotriz.

Un efecto comprobado, tras la construcción de la presa es que el nivel máximo que alcanza el agua disminuye, mientras el nivel mínimo aumenta. Ello es debido a que las corrientes son menores y la costa esta sometida a menores efectos erosivos ya que el oleaje disminuye. Asimismo existen alteraciones en la salinidad de las aguas, lo cual si afecta directamente a la flora y fauna, en particular a las especies migratorias. La disminución del oleaje mejora la turbidez del agua y con ello la acción fotosintética que es mas intensa y penetra a mayor profundidad lo que ocasiona una proliferación de algas y vida vegetal que, a veces, puede ir en detrimento a las existentes. En cualquier caso es recomendable llevar a cabo un exhaustivo estudio ecológico. Las presas, de innegable afectación visual, pueden desempeñar un papel útil en la protección contra inundaciones y maremotos y mitigar los efectos de las tormentas en las zonas costeras. Existen impactos determinados durante la fase de construcción de la central, afectando directamente a los vectores atmósfera, agua y suelo. En contrapartida, produce mejoras en la economía local, por ejemplo la potenciación de los deportes náuticos. La energía undimotriz, que aprovecha la energía de las olas marinas, tiene su origen en el Sol, incluso hay quien la considera como una forma de energía solar concentrada. El 0,3% de la energía solar se transforma en energía undi-

motriz, desplazando las olas a grandes distancias con una pérdida energética mínima. Por ejemplo, una ola de 1,5 metros de altura y un periodo de diez segundos genera una energía de 15 MW por cada kilómetro de costa. Debe tenerse en cuenta que la energía generada es directamente proporcional al cuadrado de la altura de las olas. Su funcionamiento consiste en aprovechar la energía de la oscilación vertical de las olas a través de unas boyas que se elevan y descienden sobre una estructura similar a un pistón, donde se instala una bomba hidráulica. Cuando entra y sale el agua de la bomba impulsa un generador que produce la electricidad, transmitiendo la corriente hasta la costa a través de un cable submarino. La Figura 12.3 muestra un esquema de una central undimotriz a partir de un dispositivo de embudo (TAPCHAN, acrónimo de TAPpared CHANel = canal en forma de embudo). Las olas inciden perpendicularmente contra el acantilado e impulsan el agua, a través del embudo, hacia su interior, de manera que alcanza una determinada altura, formado un embalse. El agua se deja salir a través de las turbinas de tipo hélice, dando lugar a la generación de electricidad.

Figura 12.3. Central undimotriz de embudo (TAPCHAN) (Fuente: J. González Velasco)

Otra opción para aprovechar la energía undimotriz consiste en los dispositivos de columna oscilante, basados en el movimiento del agua en el interior de una cámara semisumergida abierta por debajo del nivel del mar. El diseño es de tipo Venturi, estrechando la zona de turbina para aumentar la velocidad del aire. El rendimiento de esta instalación oscila entre el 30% y el 50%.


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Figura 12.4. Esquema de una central de corrientes marinas, a la que puede adicionarse eólica marina (proyecto Seagen).

Los impactos de este tipo de centrales son limitados, aunque, a causa de su baja implantación, todavía no son muy conocidos. Su impacto visual es reducido, ya que sus mecanismos no están localizados en la costa sino en el interior de mares y océanos (offshore), como podría ser el esquema de Figura 12.4. Otros aspectos ambientales a tener en cuenta son los relacionados durante las fases de montaje y desmantelamiento de las centrales. La energía térmica oceánica (OTEC, ocean thermal energy conversion) consiste en aprovechar la diferencia de temperatura en mares y océanos. Dicha energía se produce a partir del calor acumu-

lado en la superficie. La Figura 12.5 muestra el gradiente de temperatura (en ºC) con la profundidad marina, lo que demuestra que es posible aprovechar la diferencia de temperatura entre dos puntos para generar energía. Esta técnica es aplicable en zonas tropicales, ya que en la superficie la temperatura del agua puede alcanzar los 25 ºC, mientras que a partir de 500 metros es de unos 5 ºC. El sistema OTEC, esquematizado en la Figura 12.6, estriba en crear unas “islas” artificiales productoras de energía, aprovechando el gradiente térmico entre la superficie del océano y el agua del fondo. El ciclo orgánico de Rankine, con amoniaco como fluido intermedio, ha sido el único de-

Figura 12.5. Gradiente térmico en función de la profundidad del agua.

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sarrollado para el aprovechamiento energético del gradiente térmico del agua. El agua caliente de la superficie se emplea para calentar el amoniaco, convirtiéndolo en vapor capaz de activar una turbina de generación eléctrica. Posteriormente, el amoniaco se condensa con agua del fondo marino pasando de nuevo a estado líquido, con lo que el proceso empieza nuevamente.

los aerogeneradores. Los generadores de 2 MW de potencia tienen palas de 60 metros de longitud y una altura superior a los 100 metros.

Figura 12.7. Esquema de un aerogenerador.

La eficacia total de una turbina oscila entre 45% y 50%. Este valor se obtiene a partir de los siguientes rendimientos: Figura 12.6. Diagrama esquemático del proceso OTEC.

Uno de sus principales inconvenientes es su bajo rendimiento, próximo al 3%, lo que obliga a utilizar grandes masas de agua para obtener una cantidad de energía apreciable. Sin embargo, a pesar de la baja eficiencia, esta fuente de energía, a escala humana, es inagotable. Los principales impactos son la contaminación del agua debido a pérdidas del fluido activo (amoniaco) y la posible afección sobre especies marinas a causa del cambio de las condiciones del agua retornada. Energía eólica

La energía eólica consiste en el aprovechamiento de la energía cinética del viento transformándola en trabajo mecánico en una aeroturbina. Las turbinas de eje horizontal se sitúan en lugares elevados para aprovechar mejor la velocidad del viento; también suelen estar localizadas en zonas de bajas turbulencias para mejorar el rendimiento de las centrales. La energía generada depende de la velocidad del viento (la energía es proporcional al cubo de la velocidad) y de la longitud de las palas (la energía es proporcional al cuadrado de la longitud). La Figura 12.7 muestra un esquema de

• • • • •

Aprovechamiento de la energía cinética del aire: 60%. Hélice: 85%. Multiplicador: 98%. Alternador: 95%. Transformador: 98%.

Desde el punto de vista de las ventajas, en 2007, el conjunto de los parques eólicos españoles evitaron la emisión de 17.984.426 t CO2 equivalente, lo que equivale al 3,5% del total de emisiones en el ámbito nacional. También evitaron la emisión de 11.132 t NOx y 33.817 t SOx. Entre los impactos ambientales negativos que producen las turbinas eólicas hay que citar: el sonoro y las interferencias electromagnéticas, además del visual. De las dos fuentes de ruido, la mecánica procedente del movimiento de los diversos mecanismos es, hoy en día, imperceptible. Más difícil es evitar el ruido aerodinámico, que es una especie de bisbiseo que se percibe a cierta distancia de las turbinas. Su mayor o menor intensidad puede depender de la forma que tengan las aspas, de la interacción del viento con las paletas y la torre, del tipo de cubo, de la forma que tenga la punta de la aleta o de que las corrientes de aire se produzcan con turbulencias, lo que da lugar a fuerzas no uniformes sobre las paletas.


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Figura 12.8. Distribución del ruido de un generador eólico (Fuente: J. González Velasco)

Como el ruido aerodinámico aumenta con la velocidad de rotación, los aerogeneradores se diseñan de manera que giren a partir de bajas velocidades del viento. A velocidades de viento mayores, el propio ruido de fondo enmascara el ruido aerodinámico. La Figura 12.8 muestra un patrón de ruidos típico para una turbina eólica (El ruido producido por una turbina eólica situada a 160 metros de distancia equivale al existente en el interior de una vivienda). La velocidad de las ondas sonoras aumenta proporcionalmente a la raíz cuadrada de la temperatura, por lo que, dado que en la atmósfera la temperatura disminuye con la altura, la onda sonora debe curvarse hacia arriba. El sonido es absorbido a medida que atraviesa el aire, pero de distinto modo según la frecuencia, la humedad y la temperatura. También lo absorbe la vegetación, en cambio las superficies sólidas como carreteras o montañas lo reflejan. En los modelos de turbinas modernas se pone énfasis en la mejora de los tipos de materiales con los que se fabrican las palas. En el caso de que una turbina eólica se encuentre situada entre una emisora de radio, televisión

y los receptores, se pueden producir efectos de reflexión de estas ondas en la turbina, con lo que la onda reflejada puede interferir con la señal de origen al llegar al receptor, distorsionando la señal recibida. La magnitud de la interferencia depende de la naturaleza del material en que se hallan fabricadas las palas y la torre. Las palas metálicas y, en menor medida, las de plástico reforzado con fibra de vidrio (si llevan partes metálicas), interfieren con las ondas de radio. En cambio, las de madera las absorben. Conviene mencionar igualmente las instalaciones offshore, es decir, los molinos de viento localizados en el mar. Las turbinas marinas tienen una potencia instalada superior a las terrestres, entre 6 y 10 MW, y pueden trabajar incluso más horas anuales. La Figura 12.9 muestra una foto de un parque eólico offshore. La causa del mejor rendimiento de los parques marinos estriba en que el viento a ras del mar sopla de manera importante y constante. Los principales impactos medioambientales, al margen de los mencionados, se derivan de las

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fases de construcción y desmantelamiento de las centrales eólicas, con efectos poco significativos sobre atmósfera y agua. El impacto ambiental más importante es el visual.

motivo afecta a la propia naturaleza de la generación eléctrica fotovoltaica, ya que precisa de mucha superficie para la producción de energía, lo que la invalida para usos en centros de elevada densidad poblacional.

Figura 12.10. Esquema de una central termosolar para la generación de energía eléctrica.

Figura 12.9. Imagen de una central eólica offshore.

Energía termosolar

El término energía solar engloba a la solar térmica y a la solar fotovoltaica. La energía termosolar aprovecha la energía del Sol, pudiendo generar electricidad, aunque la energía térmica solar a baja temperatura suele tener aplicación doméstica para la obtención de calor. La Figura 12.10 muestra el funcionamiento de una central solar termoeléctrica. Esta tecnología permite fabricar centrales modulares de 50 MW. Los rayos solares concentrados por los heliostatos inciden sobre un depósito de agua y la vaporizan, expandiéndose el vapor en una turbina. El vapor se condensa y pasa de nuevo al evaporador. Estos sistemas o los concentradores parabólicos están llamados en un futuro no muy lejano a ser las mejores instalaciones de generación de electricidad en un país soleado como España, en particular el sur. En cambio, la generación de electricidad a partir de paneles fotovoltaicos parece que tiene un futuro bien distinto, por dos motivos: el primero tiene que ver con la problemática y el impacto que supone la producción de los paneles de silicio, en particular los de silicio policristalino; el segundo

El futuro de la energía solar fotovoltaica pasa por la utilización de materiales orgánicos en capa fina. Se estima que en el año 2030 se habrán instalado, en todo el mundo, centrales fotovoltaicas con una potencia total de 140 GW. En la generación de electricidad a partir de energía solar, los impactos ambientales principales están asociados a las etapas de construcción y desmantelamiento de las plantas, y sobre todo a la fabricación de las placas fotovoltaicas. El impacto visual de paneles solares FV que recubren tejados y paredes son objeto de valoración estética, sobre todo en función de la sensibilidad ambiental del observador. Algo semejante podría comentarse con los captadores para producción de agua caliente. Por lo que hace referencia al balance energético: energía gastada en la fabricación de la célula, con respecto a la generada durante su vida, que se estima en más de 25 años, los sistemas de fabricación han mejorado mucho y el consumo energético ha disminuido, en particular en el caso del silicio amorfo. El cociente entre energía generada y la gastada en la fabricación es inferior a 1,5 años. Energía geotérmica

La energía geotérmica consiste en el aprovechamiento del calor interior de la Tierra, teniendo


en cuenta que por cada kilómetro de profundidad la temperatura aumenta unos 30 ºC. La energía geotérmica se manifiesta de diversas formas: energía acumulada en rocas, sistemas hidrotermales de alta temperatura, acuíferos estacionales, etc. Un sistema implantado en el norte de Europa es el conocido como HDR (hot dry rocks), consistente en la inyección, en ciclo cerrado, de agua fría hasta alcanzar las rocas calientes en profundidad y obtener agua caliente por otro pozo. Esta tecnología emplea una turbina de reacción, con una eficacia resultante de un 30%. La Figura 12.11 muestra un esquema de una central geotérmica. La perforación de pozos en el lugar donde va a ubicarse la central a partir de recursos geotérmicos produce vibraciones, ruido, polvo y más tarde la eliminación de los fluidos presentes. Durante la explotación se pueden producir hundimientos del terreno (normalmente allí donde predominan recursos geotérmicos hídricos) y/o provocar fisuras por donde escapen gases nocivos. Los impactos ambientales asociados a la generación de electricidad a partir de la energía geotérmica son diversos, pero no tan graves como los que generan los combustibles fósiles. Pueden destacarse emisiones atmosféricas de SO2 y CO2, contaminación de aguas, calor residual e impacto visual. Ello es debido a la cantidad de azufre, y otras especies contaminantes, presentes en el subsuelo.

Figura 12.11. Esquema de una central geotérmica para la obtención de electricidad.

153

Energía minihidráulica

Una central hidráulica con una potencia instalada inferior a 10 MW se conoce como central minihidráulica. Estas centrales generan electricidad a partir de la energía cinética (centrales de agua fluente, como la representada en la Figura 12.12) y potencial (centrales de salto) del agua.

Figura 12.12. Fotografía de una central minihidráulica de agua fluente.

Como todas las centrales energéticas, la construcción de una central minihidráulica también

154


modifica su entorno, aunque el efecto global sobre el medio natural es menor. Cabe destacar, además de los impactos evidentes a la atmósfera, agua y suelo durante las fases de construcción y desmantelamiento de las centrales, otros efectos como el movimiento de tierras y ocupación de suelo, afección sobre flora y fauna, creación de barreras biológicas e impacto visual. Los efectos hidrológicos de una central fluente deben ir siempre precedidos de un estudio de impacto ambiental importante. Derivar una parte del caudal de un río puede originar cambios en los niveles del agua subterránea, secado de pozos y alteraciones en determinadas formas de vida. Aguas abajo, en particular allí donde existen embalses de retención, la disminución del caudal provoca una fermentación anaerobia sobre los se-

dimentos orgánicos dando lugar a la emisión de metano. (Por tratarse de generación de electricidad a partir de fuentes de EE RR, en este apartado no se comentan los importantes impactos ambientales derivados de los grandes embalses). Las centrales hidroeléctricas de más de 10 MW en muchas ocasiones se incluyen entre las energías renovables. De hecho, lo son desde el punto de vista del origen de la energía. Lo que sucede es que estas centrales suelen precisar de un embalse regulador de flujo y ahí es donde radica el impacto medioambiental. La retención del agua lleva implícita una sedimentación de los nutrientes de la corriente del río y ello, a largo plazo, torna estériles, o menos productivas, las tierras de cultivo aguas abajo del embalse, al margen, claro está, de la afección a la fauna.

Comparación de los sistemas de generación de energía eléctrica Como se ha especificado en los apartados anteriores, todas las tecnologías de generación de electricidad, independientemente de su carácter renovable, generan impactos sobre el medio ambiente. En la Tabla 12.3 se observa la contribución cualitativa de las tecnologías de generación de electricidad anteriormente descritas a los diferentes tipos o categorías de impactos ambientales. Las energías basadas en combustibles fósiles son las que contribuyen mayoritariamente a los impactos ambientales. Las centrales térmicas de carbón, petróleo y gas natural son responsables del calentamiento global, destrucción de la capa de ozono, acidificación, eutrofización, agotamiento de recursos energéticos y niebla de invierno. La ausencia de combustión en las centrales nucleares hace que sus emisiones atmosféricas durante la etapa de generación de electricidad sean nulas comparadas con las que producen las centrales térmicas. En cambio, sí son significativas las radiaciones ionizantes o la generación de residuos radiactivos. La incidencia ambiental de las energías renovables, en comparación con las energías convencionales, es pequeña, aunque no resulta nula. En este sentido cabe destacar: ocupación de

terreno, efectos sobre la biodiversidad e impactos visuales. La Tabla 12.4, basada en un estudio de AUMA y el IDAE realizado en el año 2000 (Impactos Ambientales de la Producción Eléctrica. Análisis de Ciclo de Vida de ocho tecnologías de generación eléctrica), valora los impactos medioambientales anteriormente mencionados en “ecopuntos” según su cuantificación. El método para determinar los “ecopuntos” es el siguiente: en primer lugar se cuantifican las entradas (materias primas, energía, agua, etc.) y salidas (residuos, subproductos, contaminantes, etc.) de cada uno de los procesos de generación de energía eléctrica (lignito, carbón, petróleo, etc.). La clasificación de los diferentes impactos ambientales (calentamiento global, niebla de verano, acidificación, eutrofización, etc.) permite incluir a todas las entradas y salidas en cada uno de ellos, y posteriormente se aplica a cada entrada y salida un factor de caracterización respecto al compuesto de referencia del impacto al que pertenecen (CO2 para calentamiento global, Pb para metales pesados, eteno para niebla de verano, etc.); de esta forma se obtiene un valor para cada categoría de impac-

155

Territorio, energía e impactos ambientales derivados del sistema de generación de electricidad. Valoración de... Tabla 12.3. Impactos ambientales asociados a los sistemas de generación de electricidad. Impactos Calentamiento global

Gas Natural

ᅚ

ᅚ

ᅚ

Nuclear

Energías renovables

ᅚ

Capa de ozono Acidificación

ᅚ

ᅚ

Eutrofización

ᅚ

ᅚ

Metales pesados

ᅚ


ᅚ

ᅚ

Niebla de invierno

ᅚ

ᅚ ᅚ

Niebla de verano

ᅚ

Radiaciones ionizantes ᅚ

Residuos sólidos

ᅚ

Residuos radiactivos ᅚ


ᅚ

to. Pero para poder comparar diferentes impactos entre sí es necesario aplicarles un factor de normalización. La contribución de todos los factores anteriormente mencionados da una cifra, conocida como “ecopunto”, que proporciona una idea del comportamiento que cada proceso de generación de electricidad tiene sobre el medio ambiente.

ᅚ

ᅚ

La Tabla 12.4 refleja unas grandes diferencias entre las medidas de los impactos producidos por los sistemas convencionales y los correspondientes a las energías renovables. En la tabla los valores (ecopuntos) se hallan ordenados de mayor a menor. Así, hay que entender que la electricidad generada por una térmica de lignito es más de 300

Tabla 12.4. Cuantificación de “ecopuntos” de los impactos ambientales. Lignito

GN

Nuclear

Fotov.

?

Minihid.


135

109

97

95,8

2

15,4

2,8

0,4

Disminución capa de ozono

0,3

1,9

53,1

0,9

4,1

3,7

1,6

0,1

Acidificación

920

265

261

30,5

3,3

97

3,5

0,5

Eutrofización

9,8

11,6

9,8

6,9

0,3

2

0,3

0,1

Metales pesados

62,9

728

244

46,6

25

167

40,7

2,6

Sustancias carcinogénicas

25,7

84,3

540

22,1

2

75,7

10

0,8

Niebla de invierno

519

124

135

3,1

1,5

53,3

1,5

0,1

Niebla de verano

0,5

3

36,9

3,5

0,3

3

1,2

0,1


0,02

0,05

0,02

0,0

2,2

0,1

0,01

0,0

Residuos sólidos

50,9

12,9

0,62

0,6

0,3

1,8

0,3

0,5


5,3

10,6

7,1

1,3

565

34,9

1,8

0,3

Agotamiento recursos energéticos

5,7

5,5

13,6

55,8

65,7

7,1

0,9

0,1

1.735

1.356

1.398

267,1

671,7

461

64,6

5,6

Total

156


veces más contaminante que la energía producida por una minihidráulica. La tabla también pone de manifiesto que la electricidad de origen fotovoltaico es mas contaminante que la procedente de una central de ciclo combinado.

Sin embargo este criterio de cálculo no tiene en cuenta el origen de la fuente de energía. Así, en la última comparación (energía de origen fotovoltaico/ciclo combinado) no se valora el hecho de que el gas natural es un combustible fósil.

Sistemas de captura y secuestro de CO2

13

FALTAN AÑOS Y MUCHA INVESTIGACIÓN PARA QUE LOS SISTEMAS DE CAPTURA Y SECUESTRO DE CO2 SEAN UNOS MÉTODOS RENTABLES •

•

•

• • •

•

•

• • •

Todos los expertos en cambio climático y energía están de acuerdo en que cuando se rebase la cantidad de 450 ppm de CO2 se producirá un incremento de 2 ºC en la temperatura media y ello comportará cambios irreversibles en el Planeta. Si a 2008 la concentración de CO2 es de 380 ppm, se calcula que llegará a 785 ppm, cuando se hayan agotado todos los combustibles fósiles. Así que el margen que queda es muy escaso. La acumulación de CO2 en la atmósfera preocupa desde muchos puntos de vista. Los expertos calculan que pueden necesitarse 100.000 años para que los océanos absorban el exceso de CO2 atmosférico. La acción de sumidero de balsas y lagos puede igualar a los océanos. El retorno natural del CO2 a la bioesfera se hace vía respiración vegetal y organismos vivos. Si se consumieran todos los combustibles fósiles casi se agotaría el oxígeno de la atmósfera. El carbono presente en la materia orgánica no alcaza al 0,001% del total (véase Tabla 13.1), mientras que el almacenado en los combustibles fósiles representa el 0,06%. Es decir, su liberación podría ser catastrófica. Los acuíferos profundos (normalmente salinos) y las grandes cavernas que albergaron gas natural, son dos ubicaciones en los que hay depositadas grandes esperanzas para el confinamiento del CO2. La técnica del enterramiento a base de convertir el CO2 de la combustión en CO2 supercrítico, aunque cara, alberga muchas esperanzas. Los expertos calculan que los pozos petrolíferos y de gas natural próximos a agotarse, podrían absorber hasta el 45% del CO2 emitido del año 2000 al 2050. Se proyectan centrales de carbón de manera que todo el CO2 producido se entierre (el llamado carbón verde). Noruega ha confinado mucho CO2 en sus pozos agotados del mar del Norte. Los sumideros orgánicos de CO2 parecen tener un sentido más sostenible. Existen musgos (semejantes a la turba) que absorben y se convierten en biomasa para ser usada. Si cerca del 90% de la fotosíntesis tiene lugar en el mar, la solución más racional consistiría en estimular el crecimiento de microalgas para biocarburantes y bacterias que producen hidrógeno.

158 •

•


La fijación de CO2 por un bosque puede alcanzar las 20 t CO2/ha y año. No obstante se ha demostrado que, sobre todo en las zonas tropicales, a la vez emite metano, lo cual plantea serias dudas de su misión de sumidero. En teoría, cada tonelada de biomasa fija 0,68 toneladas de CO2. Existen numerosos centros de investigación que trabajan en sistemas de transformación de CO2 en plásticos, uretanos, carbonatos e incluso metano. Otros grupos trabajan en potenciar la “fotosíntesis”, como mecanismo absorbedor de CO2 y productor de hidrógeno.

Introducción Estados Unidos y la Unión Europea dedican grandes esfuerzos al desarrollo de tecnologías para la captación, secuestro y almacenamiento del CO2 generado por la combustión de combustibles fósiles. Pese a la sustitución de algunas de las centrales térmicas de carbón por otras de gas natural en ciclo combinado, se estima que en el año 2030 se habrá duplicado el consumo de carbón respecto al año 2000, lo que significa que las emisiones de dióxido de carbono aumentarán, por lo que resulta urgente descubrir métodos para evitar que este gas se emita a la atmósfera. Los expertos calculan que pueden necesitarse 100.000 años para que los océanos absorban el exceso de CO2 atmosférico. Un grupo de científicos, a partir de los sedimentos extraídos del fondo marino, comprobó que al comienzo de la época conocida como Máximo Termal Paleoceno-Eoceno (PETM), hace unos 55 millones de años, se produjo un cambio abrupto en la química oceánica, triplicándose la concentración de CO2 en la atmósfera y aumentando en 5 ºC la temperatura media. Cuando el CO2 se disuelve en agua, ésta se torna más ácida y la acidez se extiende desde la superficie a las profundidades. La velocidad con que la temperatura aumentó convierte al PETM en un precedente prehistórico perfecto para el momento actual. El fenómeno que tuvo lugar en el PETM pudiera deberse a una masiva liberación de metano procedente de depósitos helados en las profundidades marinas, de forma que al emerger se oxidó dando lugar a enormes cantidades de CO2 y generando un intenso efecto invernadero (incluso sin oxidarse, el metano tiene un efecto invernadero 23 veces superior al CO2). La temperatura media del

planeta aumentó en unos 5 ºC, originando cambios dramáticos en flora y fauna, extremo confirmado en fósiles analizados. El estudio concluye que para llegar a una situación similar harían falta unos cuatro billones (1012) de toneladas de CO2, cifra que coincide con la combustión de todas las reservas de combustibles fósiles existentes (la cantidad de CO2 sería de 784 ppm). La Figura 13.1 esquematiza las principales líneas de actuación de los sistemas convencionales para prevenir el efecto invernadero: secuestro, reciclaje y valorización del CO2. Una vez generado el dióxido de carbono como gas de combustión, se hace pasar por una torre de absorción, donde en contacto con un catalizador se produce ácido carbonoso y, a partir de él, se valoriza. Así pues, las líneas prioritarias de investigación son las siguientes: • • •

Captación pre y postcombustión del CO2. Almacenamiento geológico del CO2. Secuestro químico/mineral del CO2.

En el estado de la tecnología actual la captación de CO2 constituye aproximadamente el 75% del coste económico de la explotación de una central térmica. Es un objetivo prioritario reducir su coste desde los actuales 50-60 €/t CO2, hasta 20-30 €/t CO2 con un rendimiento energético del 90%. Utilizando una técnica similar al diseño de los fármacos, científicos estadounidenses han generado un nuevo “metal” orgánico, en forma de microesponjas, que captura el gas contaminante a una temperatura y presión que pueden ser muy elevadas. En el futuro, este sistema podría utilizarse para capturar el CO2 generado. Se han creado varios prototipos de esponjas, y la más eficiente de


ellas es capaz de absorber una cantidad de CO2 83 veces superior a su propio volumen. Este tipo de esponjas, bautizadas como ZIF (zeolitic imidazolate frameworks), se han conseguido uniendo diversos tipos de metal como el cobalto o el zinc con moléculas orgánicas. Algunos de estos ZIF contienen más de un tipo de vínculo, lo que hace que la sensibilidad de absorción de sus poros sea diferente, comparados con materiales similares. En total, los investigadores han creado 25 ZIF diferentes, según publican en la revista Science (2008). Una vez que las esponjas están llenas, pueden ser retiradas, y, mediante una disminución de presión, descargan el CO2 acumulado en los poros, permitiendo que los ZIF puedan ser reutilizados. Posteriormente, el CO2 absorbido podría enterrarse en cavernas subterráneas para evitar su impacto dañino sobre el clima.

159

Según dos estudios presentados en la reunión anual de la Sociedad Química de EE UU, en un futuro el CO2 capturado en las chimeneas de las centrales térmicas puede convertirse en una materia prima adecuada para la fabricación de DVD, botellas y otros productos realizados con policarbonatos. El investigador Thomas E. Müller, de la Universidad Técnica RWTH de Aquisgrán (Alemania), propone un proceso, tan complejo como su nombre: síntesis de dimetilcarbonato por carbonilación directa del metanol, para fabricar policarbonato. Según Müller, la síntesis de policarbonatos mediante CO2 tiene múltiples salidas comerciales, como la fabricación de gafas de sol y faros de automóvil, además de los mencionados discos compactos y envases para refrescos. En la misma reunión de químicos, un equipo de científicos japoneses ha presentado un nue-

Figura 13.1. Secuestro y valorización de CO2.

160


vo método para transformar CO2 en carbonatos y uretanos, útiles como plásticos o componentes de baterías. Además, según Toshiyasu Sakakura, del Instituto de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón, este proceso químico puede reducir el impacto medioambiental de la industria.

Habitualmente, los carbonatos y uretanos se sintetizan a partir del fosgeno, un componente químico altamente tóxico (en la I Guerra Mundial se utilizó como arma química) empleado para fabricar plásticos y pesticidas. Pero el método de Sakakura sustituye el fosgeno por el inocuo CO2.

Ciclo del carbono La reserva de carbono, en forma de CO2, se acumula en atmósfera (con una concentración del 0,03%) e hidrosfera. Se calcula que un 5% del CO2 atmosférico se consume mediante la fotosíntesis, por lo que cada veinte años se renueva completamente este compuesto. El retorno a la atmósfera se produce por la respiración de los seres vivos al oxidar los alimentos. En la biosfera la mayor parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo. Los seres vivos acuáticos toman el CO2 directamente del agua. Su solubilidad es superior a la de O2 y N2, por ello reacciona con el agua formando ácido carbónico. En los ecosistemas marinos algunos organismos convierten el CO2 en CaCO3 para formar conchas, caparazones o corales. Cuando

estos organismos mueren, los caparazones se depositan en el fondo formando rocas sedimentarias calizas donde el carbono queda retirado del ciclo durante miles de años. Este carbono volverá lentamente al ciclo al disolverse las rocas. Los combustibles fósiles acumulados son resultado de épocas en las que se devolvió menos CO2 a la atmósfera del que se tomaba, apareciendo O2 en la atmósfera. Si hoy en día se consumieran todos los combustibles fósiles almacenados desaparecería casi todo el O2 atmosférico. El ciclo del carbono puede explicarse a partir de la Figura 13.2. Más de la mitad de la acción fotosintética ocurre en el fitoplancton, organismos que habitan en los primeros 100 metros de las masas acuáticas y

Figura 13.2. Ciclo del carbono.

161

Sistemas de captura y secuestro de CO2 Tabla 13.1. Distribución de carbono en la Tierra. Compuesto

Toneladas

%

Carbonato cálcico

16

3,50·10

46,64

Carbonatos mixtos de Ca/Mg

2,50·1016

33,31

16

19,99

Combustibles fósiles recuperables

13

4,20·10

0,06

Carbono superficial

4,00·1012

0,01

11

0,00

Materia fosilizada

1,50·10

Materia viva (biosfera)

5,60·10

11

Carbono en CO2 atmosférico Total

usan la luz y los nutrientes disueltos (principalmente compuestos de nitrógeno, fósforo, silicio y hierro) para convertir el CO2 en carbono orgánico que sirve de alimento a otros animales. Se han realizado ensayos y se ha comprobado que la masa de fitoplancton aumenta. Esta línea de investigación entra de lleno en el área del secuestro de CO2. En la década de 1980 se descubrió una importante reserva de hidrocarburos en el fondo de los océanos (hidratos de carbono), denominada clatrato, es decir, fósiles “en caja”. La materia orgánica producida en la fotosíntesis marina se precipita a las profundidades y, en medio anóxico, se transforma en diferentes hidrocarburos, H2S, CO y algo de CO2. Por otra parte, las moléculas de carbono sometidas a condiciones tan extremas forman estructuras esféricas (fullereno) que guardan estos hidrocarburos en su interior (de ahí el nombre de “encajado”), con una densidad media de 900 kg/ m3. Se calcula que el potencial energético almacenado en los clatratos equivale a la suma de carbón, petróleo y gas natural. La formación es parecida a la génesis de los combustibles fósiles pero llevada a cabo en el mar. De acuerdo con las estimaciones de J.E. Llebot, catedrático de física de la UAB, que se reproducen en la Tabla 13.1, la cantidad de carbono total en la corteza terrestre se estima en 7,5·1016 toneladas, y se halla distribuido entre el océano, la atmósfera y la tierra. Los océanos almacenan carbono de tres formas diferentes: •

•

Carbono inorgánico disuelto: iones carbonato y bicarbonato, y CO2 disuelto, que es el responsable de la acidificación. Carbono orgánico disuelto, en forma de

•

7,20·10

0,00

7,50·1016

100,00

moléculas grandes y pequeñas. Carbono orgánico: organismos vivos, y fragmentos y restos de plantas y animales muertos.

Se estima que la cantidad de carbono en los océanos es de 37·1015 toneladas. A efectos de su combinación con el oxígeno atmosférico, este carbono, siendo la partida más importante, no es significativo. Conocer el contenido de carbono en la litosfera y la biosfera presenta mayores incertidumbres. La determinación de la masa de carbono en las plantas depende del método empleado para clasificar los ecosistemas; no obstante, oscila entre 420 Gt y 830 Gt (1 Gt = 1012 t). El mismo problema surge a la hora de evaluar el carbono almacenado en el suelo orgánico por unidad de volumen, que globalmente se estima en 1.600 Gt. En aguas continentales con exceso de bicarbonato, debido a la meteorización de carbonatos y silicatos, se produce un flujo de CO2 a la atmósfera. Después, el gas se disuelve en el vapor de agua de las nubes, lo que explica que el agua de lluvia tenga un cierto carácter ácido, con un pH entre 5,5 y 5,7, aunque en el entorno de las grandes ciudades puede alcanzar valores inferiores a 4.

EMISIONES ANTROPOGÉNICAS DE CO2 El Protocolo de Kyoto contra el cambio climático obliga a los países ricos a reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero con medidas internas (tecnologías limpias, energías renovables y sistemas menos dependientes de los combustibles fósiles). Pero con el fin de abaratar costes también pueden acudir al mercado para la compra de derechos o certificados de emisión de CO2. Así, las em-

162


Figura 13.3 Principales sectores emisores de CO2 en España

presas europeas ya disponen de unos cupos anuales asignados de CO2; y si, al acabar el año, los superan pueden adquirirlos en otras industrias que no los hayan empleado. La Figura 13.3 muestra los principales emisores de CO2 en España en 2008.

LA NUEVA DIRECTIVA SOBRE CAPTACIÓN DE CO2 En abril de 2009, la Comisión Delegada para el Cambio Climático ha dado su plácet para la transposición de la directiva europea sobre alma-

cenamiento geológico de carbono, un texto que el Gobierno prevé pueda ser sometido a información pública en los próximos meses y remitido a las Cortes antes de fin de año. Uno de los objetivos del Gobierno es que El Bierzo (León) se incluya en la lista de emplazamientos en los que se construirán plantas piloto para el almacenamiento geológico de CO2. La Comisión Europea tiene previsto elaborar en 2010 una lista de diez o doce lugares en los que se localizarán esas instalaciones industriales, para lo que ya ha abierto una convocatoria.

Sumideros terrestres sobre la captación de CO2 En el año 2005 existían diversos proyectos para el almacenamiento de CO2 en el subsuelo. Teniendo en cuenta que el Protocolo de Kyoto prevé multas de hasta 40 €/tCO2 para las empresas cuyas emisiones de CO2 rebasen el límite asignado, existe un creciente interés en buscar soluciones técnicas que permitan abaratar este coste. Por ejemplo, el CO2 supercrítico se encuentra en estado líquido y tiene unas propiedades excepcionales como disolvente, lo que permite enterrarlo. El almacenamiento de CO2 en formaciones geológicas se basa en su incorporación como fluido en la porosidad de la formación. Concretamente hay tres tipos de formaciones geológicas en estudio: los acuíferos profundos (normalmente salinos), los campos petrolíferos y gas, y las capas de carbón cuya explotación no es rentable económicamente. La Tabla 13.2 resume estas posibilidades, en las que

destaca la enorme capacidad de los acuíferos salinos y que, potencialmente, puede alcanzar hasta cinco veces la emisión total de CO2 entre 2000 y 2050. El almacenamiento a través de la filtración del CO2 en capas minerales se encuentra actualmente en desarrollo experimental ya que el consumo energético es muy elevado. Por otra parte, el almacenamiento en cavidades profundas es actualmente poco probable debido a su escaso conocimiento geológico y a la limitación que supone la cantidad de CO2 que se podría almacenar. Al margen de los aspectos ambientales, se considera que muchas de las nuevas tecnologías aptas para moderar la emisión de gases de efecto invernadero van a generar créditos de carbono suficientes para hacerlas económicamente rentables. En los siguientes apartados se citan algunas de las más representativas.

163

Sistemas de captura y secuestro de CO2 Tabla 13.2. Capacidad de almacenamiento de CO2 de las formaciones geológicas (Fuente: IEA, 2004). Capacidad global +: CO2 (t)

% sobre total emisiones CO2 (2000-2050)

Campos petrolíferos y de gas natural próximos al agotamiento

920·109

45%

Lechos de carbón no explotables

> 15·109

> 1%

800 - 10.000·109

40 - 500%

Acuíferos salinos profundos

CENTRALES TERMOELÉCTRICAS EN PONFERRADA (ESPAÑA) Y SPREMBERG (ALEMANIA) En la localidad española de Ponferrada (León), el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) tiene previsto desarrollar una planta de almacenamiento de CO2. La instalación consiste en una planta de generación de energía eléctrica, en ciclo de Rankine, con una potencia de 5 MW a partir de carbón de procedencia local. La combustión se llevará a cabo con aire enriquecido, para disminuir la generación de gases (la cantidad de CO2 producida depende solo de la cantidad de carbono presente). No obstante, si el sistema es poco eficiente, por kWh producido se precisa mayor cantidad de combustible, es decir, se produce más CO2 y la masa a capturar será mayor. El proceso es el siguiente: se trata de captar el CO2 emitido e inyectarlo bajo tierra a presión suficiente para inmovilizarlo. Así se reducen las emisiones a la vez que se genera electricidad, algo especialmente necesario en España, país que se aleja del compromiso del Protocolo de Kyoto. Se estima que el coste de almacenamiento puede ser de unos 30 €/t CO2, siendo un objetivo prioritario disminuir esta cifra para que las empresas opten por esta tecnología en lugar de comprar derechos de emisión. La empresa energética alemana Vattenfall Europe AG instalará en la localidad alemana de Spremberg (Branderburgo) una central termoeléctrica de 30 MW de potencia alimentada con lignito local que trabajará en la modalidad de oxicombustión, es decir, con oxígeno puro mezclado con gases de combustión recirculados, y no emitirá CO2 a la atmósfera. Los gases de combustión serán reinyectados en una mina agotada. A pesar de la gran presión que se está ejerciendo por parte de todos los países más contaminantes

para el desarrollo de esta tecnología, hay muchas reservas al respecto por parte de diversos especialistas, incluyendo el Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), quienes cuestionan la cantidad real de CO2 que se podría almacenar a partir de su captura y secuestro, o CCS en sus siglas inglesas. Se demuestra que las instalaciones que utilizan la CCS necesitan una mayor cantidad de combustibles fósiles para obtener la misma cantidad de energía ocasionando un gasto adicional de energía que puede llegar hasta un 30% en el caso de una central térmica. Además, la CCS eleva considerablemente el coste económico y ambiental de la generación de energía ya que supone un aumento entre el 40% y el 80% de los gastos de generación de energía respecto de los gastos de las centrales eléctricas convencionales, reduce la eficiencia de las centrales térmicas –se tiene que quemar hasta un 30% más de combustible para lograr la misma cantidad de energía–, y produce gastos adicionales a largo plazo, debido a la necesidad de garantizar la supervisión y la verificación durante cientos de años para vigilar que no haya escapes del CO2 almacenado cuando el depósito es sellado. La central de Vattenfall incorpora, a la vez, dos tecnologías suministradas por Air Products: la oxicombustión (combustión con oxígeno puro) y una tecnología de membrana dirigida a capturar el CO2 con niveles superiores al 98%. En mayo de 2007 se realizó la presentación de un proyecto científico-tecnológico de una planta piloto de captura de CO2 que se situará en Puertollano, que cuenta con el apoyo institucional y de una importante empresa privada. Este proyecto pretende validar en el ámbito industrial la separación de CO2 en un proceso de pre-combustión como paso previo a su almacenamiento en el subsuelo. Para ello se prevé, por un lado desviar una parte del gas de síntesis con

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agua a partir de la que se obtendrá una corriente de CO2 presurizada, y por tanto más fácil de almacenar geológicamente, y por otro hidrogeno que podrá utilizarse con fines energéticos.

ALMACENAMIENTO DE CO2 EN CAVERNAS Científicos franceses quieren demostrar que las cubetas geológicas de Lacq (Pirineos), que han albergado gas natural durante millones de años, pueden ser capaces de confinar CO2. En concreto, los antiguos yacimientos de Saint-Faust, formados en el Jurásico superior y situados a más de 2.700 metros de profundidad, están completamente agotados, y contienen acuíferos potencialmente activos. Su capacidad de retención de CO2 supercrítico es prácticamente de 200 Mm3. Cuando se agoten el resto de pozos a partir del año 2020, la capacidad de almacenamiento puede superar los 800 Mm3, cifra respetable teniendo en cuenta que una central de ciclo combinado de gas natural de 400 MW(e) genera 1,24 Mt CO2/año, que en forma de CO2 supercrítico equivale a un volumen de 1,09 Mm3/ año. Es decir, esta supuesta central de ciclo combinado tardaría 643 años en llenar la cubeta. El coste de bombeo de CO2 en estado líquido es significativo, pero inferior al coste correspondiente a la impermeabilización de los pozos. En el caso concreto del citado yacimiento se ha tenido que llevar a cabo un estudio previo y diseñar una instalación para la separación del CO2 y el H2S del gas natural. En este yacimiento el gas natural contiene un 15% de H2S y un 10% de CO2. Los diez posibles emplazamientos para albergar depósitos de CO2 en España ha puesto de actualidad su captura y almacenamiento, una alternativa que el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) considera viable para luchar contra el calentamiento global. Este órgano asesor de Naciones Unidas estima que los depósitos de CO2 podrían reducir entre un 15% y un 55% las emisiones de aquí al año 2100. Las cifras son de vértigo. El IPCC señala que para conseguir ese objetivo tendría que haber una capacidad de alm acenamiento en todo el planeta de 2.000 gigatoneladas de CO2. Bombeando CO2 en pozos teóricamente agotados se puede extraer petróleo o gas, como viene haciendo la industria petrolífera desde la década de 1970.

La principal experiencia mundial de almacenar CO2 se lleva a cabo en Noruega. La petrolera Statoil fue la primera empresa europea en capturar y enterrar CO2, y empezó a hacerlo para evitar el pago de un impuesto aplicado en la década de 1990 por el Gobierno a los emisores de CO2: 50 dólares por cada tonelada de CO2 emitida a la atmósfera. Statoil construyó una plataforma especial, la Sleipner-T, en el mar del Norte, a 250 kilómetros al oeste de Stavanger, de 20 metros de altura y 8.000 toneladas de peso, que separa el CO2 del gas natural que se extrae del yacimiento, a 2.500 metros bajo el nivel del mar. Desde 1996, la petrolera noruega separa y secuestra ese CO2 del gas natural, que representa un 9% de su volumen (el máximo autorizado por el consumo en Europa es el 2%) y lo inyecta de nuevo bajo el mar, pero no en el lugar del que ha sido extraído, ya que contaminaría más el gas, sino en una capa de arenisca de 200 metros de grosor, situada a 800 metros de profundidad del fondo marino. Esa capa, denominada utsira, tiene alta porosidad y permeabilidad, de modo que el CO2 se desplaza rápidamente hacia los lados y hacia arriba a través de la capa rocosa. Hasta la fecha, Statoil ha almacenado más de diez millones de toneladas en esa arenisca, y los expertos calculan que harían falta 600.000 millones de toneladas de CO2 para rellenar los poros de ese gigantesco acuífero salino situado en el fondo del mar del Norte y capaz de almacenar todas las emisiones de CO2 producidas en Europa a lo largo de este siglo. En Mongstad, Noruega, se está desarrollando un nuevo proyecto de secuestro y captura de CO2 que ensayarán dos tecnologías alternativas para capturar unas 100.000 toneladas de CO2 anualmente durante los cinco años de ensayos para hacerlas económicamente competitivas y viables comercialmente. El coste de construcción asciende a 600 millones de euros, financiados por el Gobierno noruego (77,5%), Statoil (20%) y Norske Shell (2,5%). La otra parte del desafío, el almacenamiento geológico estable y definitivo del carbono (circunstancia a la que parecen escépticos algunos expertos del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático), también está en marcha en el país nórdico, pero cuenta ya con más experiencia y es, afirman los expertos, menos problemática desde el


punto de vista de ingeniería. Dos plantas de extracción y tratamiento de gas en Noruega están inyectando ya CO2 en el subsuelo, a gran profundidad. La novedad de Mongstad, y de pocas plantas más en el mundo, también experimentales y a menor escala, es atrapar ese gas de efecto invernadero después de la combustión. En esta planta se va a capturar entre el 85% y el 90% del CO2 de los gases de combustión; alcanzar el 100% sería muy caro. La primera tecnología a ensayar es de captura de carbono por aminas como disolvente: los gases de combustión pasan por un filtro en el que las aminas se asocian al carbono; en la segunda fase del ciclo se separan de nuevo, de manera que las aminas regresan a la fase de captura para su reutilización, mientras que el CO2, que en la planta piloto se emitirá al aire, irá por conducciones a lugares de almacenamiento geológico en las futuras plantas industriales. La segunda tecnología utiliza amoniaco helado para capturar el CO2 de los gases de combustión. Es más complicada, pero tiene menos efectos negativos en el medio ambiente que las aminas y sería menos exigente energéticamente. De cualquier forma, en una central, la planta de CO2 consumirá el 20% de la energía producida. De momento, el Protocolo de Kyoto no contempla el secuestro de carbono entre los proyectos que puntúan para que los países o empresas mejoren su balance de emisiones.

EL ROL DEL OCÉANO Para completar los datos aportados por la Tabla 13.1 es importante resaltar la interacción entre el océano, la cantidad de CO2 y la producción de biomasa. Como sea que el océano ocupa el 75% de la superficie terrestre, es lógico que la mayor parte de la acción fotosintética se lleve a cabo en el mar. De ahí la importancia de ahondar en las tecnologías que permitan la absorción del dióxido de carbono en un medio tan abundante y eficiente como el plancton. La capacidad de absorción del océano está condicionada por el valor del pH (el CO2 supone un incremento del pH), la presión y la temperatura. La concentración de CO2 entre 350 y 1.000 ppm supondría, con el tiempo, que habría entre 2.000 y 12.000 Gt de CO2 en el océano. Esta última cifra representa

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el límite superior de almacenamiento de CO2 mediante inyección activa. La inyección de tales masas de CO2 provocará cambios en la química marina. El CO2 inyectado quedará aislado de la atmósfera durante, al menos, cientos de años. La fracción retenida será proporcional a la profundidad de inyección. Una inyección del orden de Gt producirá un incremento entre 0,2 y 0,4 en el pH, que se traducirá en una reducción de los índices de calcificación, crecimiento y movilidad. El plancton y otros organismos marinos extraen CO2 del agua marina para construir sus esqueletos y conchas de calcita. Este proceso permite que el océano pueda seguir extrayendo CO2 de la atmósfera. Cuando el organismo muere, los esqueletos y conchas caen al fondo del océano. La fracción orgánica, en el fondo, comienza un proceso paralelo a la formación de los combustibles fósiles, llamado “bomba biológica”. Galp Energía va a desarrollar un proyecto de producción de biomasa y biocombustible a partir de microalgas y de captura de CO2, para lo que ha firmado un acuerdo con el Instituto Portugués de Ingeniería e Innovación, así como con Álgafuel, empresa de biotecnología especialista en la producción de plancton para la industria alimenticia, farmacéutica y cosmética. De este modo, Galp implantará en su refinería de Sines, al sur de Lisboa, una unidad prototipo de producción de biomasa de microalgas y producción de aceite vegetal mediante la captura de gases de combustión. Las microalgas muestran un buen potencial para la producción de combustible y la diversificación de las fuentes de energía. Las microalgas o plancton son plantas unicelulares con un ciclo corto de vida, que permite una selección eficaz de las estirpes con mejor desarrollo. Cada tonelada de microalgas producida consume por lo menos dos toneladas de CO2, teniendo una capacidad de acumulación intracelular de lípidos que puede llegar al 60-70% de su peso en seco. Holcim y Aurantia comienzan la realización de pruebas fuera de laboratorio, para evaluar la viabilidad y capacidad de absorción del CO2 proveniente de la fábrica de la cementera en Jerez de la Frontera (Cádiz) por parte de las microalgas destinadas a la obtención de biodiesel. De este modo, se evaluará la idoneidad de las emisiones de la fábrica para dicho cultivo, además de seleccionar la

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variedad de microalga más adecuada para aceptar esta alimentación. Una planta para la producción de biodiesel a partir de aceite de microalgas, promovida por la compañía Aurantia y el Consorcio Zona Franca de Cádiz, a través de la firma Gadir Biodiésel, ha de entrar en funcionamiento en 2009. El Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha participado en un estudio internacional liderado por la Universidad de Iowa (EE UU) que ha descubierto que los estanques o balsas agrícolas en todo el planeta retienen tanto CO2 como los océanos y, junto a los lagos, de 20 a 50 veces más cantidad de dióxido de carbono por metro cuadrado que la que captan los bosques. Las balsas agrícolas secuestran unos 150 millones de toneladas de carbono al año, una cantidad similar a la que se acumula en los sedimentos oceánicos que, a su vez, los ríos, y transportan al océano cerca de una tercera parte de la cantidad de CO2. Los ecosistemas acuáticos juegan un rol desproporcionadamente grande en el balance global de carbono. A pesar de que se haya pasado por alto en el pasado, estos pequeños conjuntos de agua son importantes porque absorben carbono a alta velocidad y hay muchos más de los que previamente se creía. De este efecto combinado resulta que las balsas agrícolas pueden secuestrar cada año tanto dióxido de carbono como los océanos. Los estanques agrícolas retienen el CO2 mediante su absorción a través de las algas y las plantas que captan dióxido de carbono mientras crecen. Una vez muertas, el CO2 queda almacenado en los sedimentos. Un estudio, publicado en 2008, de Global Biogeochemical Cycles, ha calculado que existen 304 millones de lagos naturales y balsas agrícolas en el mundo, que cubrirían 4,2 millones de kilómetros cuadrados, el doble de lo que se creía hasta ahora.

El primer estudio en profundidad sobre los últimos hallazgos científicos acerca de ecosistemas marinos como las praderas oceánicas, los manglares y las marismas, muestra que la capacidad para atrapar carbono de forma progresiva es mucho mayor que en sumideros de carbono terrestres, como son los bosques. La actual pérdida de dos tercios de las praderas marinas y el 50% de los bosques de manglares debido a las actividades humanas, amenaza seriamente su capacidad de almacenamiento de carbono y es comparable al declive anual de los bosques del Amazonas, según la Comisión Mundial de Áreas Protegidas de UICN. El informe de UICN, que cuenta con el apoyo de Natural England, The Lighhouse Foundation y el PNUMA, ha sido elaborado por científicos líderes en este ámbito y ofrece los datos más recientes sobre la capacidad del océano para almacenar carbono y sobre la función que cada uno de estos ecosistemas marinos ejerce en la reducción de los efectos negativos del cambio climático. El estudio proporciona recomendaciones políticas concretas sobre cómo incluir la gestión de los sumideros marinos de carbono en las estrategias internacionales y nacionales de reducción. A pesar de los numerosos debates sobre los principales sumideros de carbono como son los bosques, apenas se habla del potencial del mundo marino. Este no sólo regula nuestro clima y suministra bienes y servicios básicos, también ayuda a hacer frente al cambio climático. El potencial de los manglares, las marismas y las praderas marinas para almacenar carbono se puede garantizar mediante una serie de enfoques de gestión tales como las áreas marinas protegidas, la planificación espacial marina, las técnicas de gestión de los caladeros de pesca según su zonificación, un desarrollo costero regulado y la rehabilitación de los ecosistemas.

Sumideros orgánicos de CO2 Para llevar a cabo la captura del CO2 la naturaleza dispone de la fotosíntesis. Sin embargo, la masa forestal del planeta está lejos de poder absorber toda la cantidad de CO2 producida. Obviamente las plantas con crecimiento rápido absorben

gran cantidad de CO2, mientras que los árboles viejos absorben poco. Por término medio, el carbono representa el 20% del peso del árbol. Los depósitos de turba son ecosistemas formados fundamentalmente por esfagnos (musgo

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de la familia de las Sphagneceae) en descomposición y son grandes sumideros de CO2. La turba es una acumulación de vegetales en descomposición, y se considera el primer paso para la formación del carbón. Su análisis químico indica que contiene carbono (45-60%), oxígeno (3040%) e hidrógeno (5-10%), y un PCI entre 3.000 y 5.000 kcal/kg. Su uso en horticultura y su progresiva desaparición por la implantación de cultivos forestales y pastizales sobre las turberas han provocado que más de 35 millones de hectáreas de estos ecosistemas hayan desaparecido en medio siglo. Por esta razón su venta está restringida, y en algunos países incluso prohibida. Un ejemplo de sumidero orgánico son los bosques plantados con este fin. Por término medio, la fijación de CO2 puede alcanzar veinte toneladas por hectárea y año. La mayor compañía eléctrica japonesa, TEPCO (Tokyo Electric Power Company), ha sustituido en Tasmania (Australia) la vegetación de los bosques autóctonos por 3.000 hectáreas de eucaliptos de crecimiento rápido, que producirán 130.000 toneladas de carbono de crédito a descontar de las crecientes emisiones de CO2 en Japón. Recientemente, científicos del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Alemania, han descubierto que las plantas emiten metano (gas también contribuyente al efecto invernadero) equivalente al 10% del total generado. Todavía no son bien conocidos estos mecanismos de generación, pues no era de esperar que, en presencia de oxígeno, las plantas emitieran metano. Los científicos han descartado la contribución de bacterias generadoras de metano en las plantas,

y han demostrado que su emisión varía con la luz solar y un incremento de temperatura de 10 ºC duplica su generación. El descubrimiento también explica la presencia de grandes bolsas de metano detectadas por los satélites sobre las selvas tropicales. La disminución de la concentración de metano en la atmósfera durante la última década del siglo XX cuadra bien con los ratios de deforestación de este periodo. Todo ello hace replantear ciertas estrategias, como la de potenciar al máximo la reforestación, en particular en zonas tropicales, que favorezca la absorción de CO2 si, a la vez, la biomasa desprende CH4, gas con mayor efecto invernadero que el dióxido de carbono. GESTIÓN ENERGÉTICA SUSTENTABLE DEL CO2 La Unión Europea está propiciando programas y ayudas para la generación de energía eléctrica a partir de plantas leñosas de rápido crecimiento. La razón estriba en que el CO2 emitido a partir de la combustión de los vegetales es neutro, es decir, la biomasa se emplea en la central de generación de electricidad y los gases emiten el CO2 a la atmósfera que es de nuevo absorbido por el vegetal. Las primas procedentes del uso de la biomasa pueden llegar a doblar las otras subvenciones. En el ejemplo que propone la Tabla 13.3, las dos centrales producen la misma cantidad de energía eléctrica: 1.535 kWe. La primera funciona con biomasa en un ciclo de Rankine, mientras que la segunda lo hace a partir de una central de ciclo combinado de gas natural. Puede observarse que la emisión unitaria de CO2 por unidad de energía

Tabla 13.3. Comparación de las emisiones de CO2 en la generación de electricidad a partir de biomasa y gas natural. Biomasa

Gas natural

4,65

13,72

33

51

Energía eléctrica (kWe)

1.535

1.535

CO2 emitido (t CO2/año)

11.733

4.908

Emisión unitaria (t CO2/MWe)

0,956

0,400

1,4

0,0

PCI (kW/kg) Rendimiento de la central (%)

Agua líquida recuperada (t CO2/MWe)

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producida es más del doble en el caso de la biomasa, pero también es cierto que el CO2 de la central de ciclo combinado de gas natural contribuirá enteramente al efecto invernadero mientras que el procedente de la biomasa no generará efecto invernadero si se planta biomasa por el mismo valor. En teoría, por cada tonelada de biomasa se fijan 0,68 toneladas de CO2. En la actualidad, los valores de la Tabla 13.3 se han mejorado en instalaciones de demostración puesto que se puede gasificar la biomasa, introducir el gas de síntesis en una turbina de gas y posteriormente en un ciclo combinado producir más electricidad, con lo que el rendimiento global mejora notablemente. Además, el tratamiento de los gases permite la condensación del agua presente, tanto la de humedad como la procedente de la combustión, con lo que se valoriza también el agua en una cantidad significativa y así no se emite a la atmósfera en forma de vapor (no hay que olvidar que el vapor de agua es el principal gas de efecto invernadero). El valor de agua que aparece en la Tabla 13.3 solo hace referencia a la combustión y no se tiene en cuenta la humedad, que puede ser muy importante. La condensación del agua de la biomasa puede contradecir los estudios del profesor R. Jackson, de la Universidad de Duke, y publicados en Science, en los que afirma que la plantación masiva de árboles para vender bonos de carbono empobrece el subsuelo ya que precisa de abundante agua y saliniza el terreno. Ello será cierto si no se aplica una estrategia de valorización del agua como la expuesta en la tabla anterior. Es evidente que la práctica intensiva de plantar vegetación para la absorción de CO2 es limitada, puesto que puede contribuir como máximo a reducir entre 40 y 70 ppm la concentración de CO2, y que se hallan en la actualidad en 380 ppm. Es decir, esta actividad puede fijar entre un 10 y un 20% las emisiones actuales de dióxido de carbono, cifra poco relevante en el conjunto mundial.

OTROS SUMIDEROS ORGÁNICOS DE CO2 El Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Almería (España), con la ayuda del Ministerio de Medio Ambiente, ha desarrollado un sistema que consiste en una red de microal-

gas que transforma los contaminantes de efecto invernadero (CO2, SOx y NOx) en biomasa verde. Una vez desarrollada, esta biomasa se puede usar como combustible, puesto que tiene un poder calorífico similar a la madera o el carbón. También puede emplearse para la regeneración de suelos o para fines agrícolas. Este trabajo se enmarca en el proyecto “Eliminación de CO2 de gases de escape acoplada a la generación fotosintética de exopolisacáridos por cianobacterias”. Las microalgas son seres unicelulares que viven en medios acuáticos, tanto marinos como fluviales, fabrican materia orgánica aprovechando la energía de la luz y necesitan CO2 para crecer y producir biomasa. La tecnología, patentada, consiste en la depuración de los gases de combustión mediante un equipo de absorción. Los contaminantes son retenidos por la fase acuosa que, posteriormente, es introducida en un reactor biológico con microalgas, donde los contaminantes son absorbidos y generan biomasa. Por el momento se está experimentando con reactores de hasta 200 litros de capacidad, aunque se espera poder construir un reactor piloto con un volumen de unos 4.000 litros. Al final del proceso la cantidad de CO2 que se espera eliminar con las microalgas se cifra en tres toneladas por hectárea y día. La aplicación de este avance será muy apreciada sobre todo en las industrias que produzcan emisiones de CO2 significativas, básicamente centrales térmicas, plantas de gas natural o de ciclo combinado, así como cementeras, fábricas de ladrillos y cualquier proceso en el que se lleve a cabo la combustión de combustibles fósiles, desde carbón a gas natural. En otra línea de investigación, el CO2 podrá ser transformado en gas natural gracias a la tecnología desarrollada por un equipo de investigadores británicos, según explicó su directora, la española Mercedes Maroto-Valer, máxima responsable del Centro para la Innovación en Captura y Almacenamiento de Carbono (CICCS, en su siglas en inglés) de la Universidad de Nottingham (Reino Unido), un laboratorio pionero en la búsqueda de soluciones que permitan captar y procesar el CO2. Este laboratorio ya ha diseñado varios procedimientos para capturar el dióxido de carbono que emiten las industrias más contaminantes, como


las centrales termoeléctricas, las compañías cementeras o las petroleras, y almacenarlo en sedimentos geológicos tales como pozos de petróleo o de gas ya agotados, minas de carbón o formaciones geológicas. Lo novedoso de esta nueva tecnología es que evita el almacenamiento de CO2, con lo que desaparece el riesgo de fugas con graves consecuencias medioambientales. La solución propuesta se basa en la transformación de este gas para lograr, de forma segura y eficaz, reducir su presencia en la atmósfera y mitigar el calentamiento global del planeta. El método desarrollado por el equipo de Maroto-Valer consiste en convertir el dióxido de carbono en gas metano, el principal componente del gas natural, gracias a un proceso similar a la fotosíntesis de las plantas. El proceso tiene, como insumos, luz, agua y CO2, pero en vez de generar carbohidratos se produce metano. La aplicación de esta tecnología a escala mundial permitiría obtener el «ciclo perfecto de la energía», dado que se pasaría del CO2 al gas natural y de éste al CO2 nuevamente.

FOTOSÍNTESIS ARTIFICIAL PARA LA GENERACIÓN DE HIDRÓGENO Un grupo de biólogos del Imperial College de Londres ha establecido la secuencia precisa de acontecimientos que desencadenan el proceso de

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la fotosíntesis. Esta es la primera vez que se analiza con extrema precisión este proceso, desde la captación de los fotones por la clorofila hasta su utilización por parte de las moléculas a base de manganeso, para transformar las moléculas de agua en protones, electrones y oxígeno. El descubrimiento, publicado en la revista Science, abre la posibilidad al desarrollo de plantas artificiales con la intención de construir “industrias fotosintéticas” para producir hidrógeno a partir del agua a la vez que se absorbe el CO2. En el sector de la automoción el consumo crece un 2% anualmente y acapara el 45% de los derivados del petróleo. La eficiencia de los motores de combustión interna se considera poco mejorable en el estado actual de la tecnología; por este motivo el hidrógeno y las pilas de combustible se perciben como una gran solución para el ahorro energético en este sector y, sobre todo, y si el combustible proviene de fuentes renovables, para la reducción de las emisiones contaminantes. Las soluciones alternativas derivadas de la pila de combustible no se desarrollan de manera masiva a causa de la dificultad y el coste para la obtención de hidrógeno. El proceso descrito, ahora en fase experimental, abre una vía de solución. La Figura 13.4 muestra el esquema representativo de la función clorofílica. El Instituto de Estudios Avanzados Solares de Colonia (Alemania) tiene una línea de investiga-

Figura 13.4. Esquema de la función clorofílica.

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ción muy avanzada para la producción de hidrógeno a partir de la radiación solar: una vez que el rayo se refleja en un espejo parabólico, se concentra y se envía a un reactor, donde es capaz de elevar la temperatura hasta 3.000 ºC, y con la ayuda de un catalizador disocia la molécula de agua para obtener hidrógeno.

LA INYECCIÓN DE CO2 Y LA PRODUCCIÓN DE PETRÓLEO Cuando se explota una bolsa de petróleo, este se va haciendo cada vez más viscoso, atrapado en la roca porosa, hasta el punto que no es rentable extraer más. Pero si se añade gas carbónico la viscosidad del petróleo disminuye. El gas hincha el petróleo y actúa como un lubricante. Algo semejante acontece cuando se inyecta agua caliente con detergentes. Desde hace más de treinta años la inyección de petróleo en pozos, en el oeste de Texas, ya representa el 15% de la producción del mismo. El almacenamiento de CO2 en depósitos de hidrocarburos, o en formaciones salinas profundas, tiene lugar a casi un millar de metros de profundidad, donde la presión y la temperatura ambiente dan lugar a que el CO2 esté en estado líquido o

hipercrítico. En estas condiciones la densidad del CO2 oscila entre el 50% y el 80% de la densidad del agua. Un valor que se aproxima a la densidad de ciertos crudos, y origina fuerzas ascensionales que impulsan el CO2 hacia arriba. La retención física para bloquear el desplazamiento del CO2 hacia arriba se basa en una capa de pizarra y roca arcillosa, situada encima del almacenamiento. En esta “capa límite” (o de cubierta) el CO2 se comprime y llena el espacio poroso mediante el desplazamiento parcial de los fluidos que ya están presentes. En las formaciones salinas, el volumen potencial de almacenamiento oscila entre el 30% y el 40% de la roca. De acuerdo con la Figura 13.5, la Comisión de Energía de la UE propone cuatro (uno de ellos con dos variantes) métodos de almacenar CO2:

Figura 13.5. Principales sistemas de almacenamiento de CO2.

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Pozos de petróleo y gas agotados. Inyección de CO2 para potenciar la extracción de petróleo o de gas. Inyección en formaciones salinas profundas (a) y continentales (b). Almacenamiento de CO2 que permite la extracción de metano en yacimientos carboníferos.

península ibérica. Consecuencias energéticas

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ESPAÑA ES UN PAÍS PROPENSO A LA DESERTIFICACIÓN • •

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Se precisan miles o millones de años para crear un suelo orgánico capaz de retener vegetales. La FAO sostiene que para alimentar a la población mundial de 2050, que se estima en 9.100 millones de personas (un 34% más que ahora) se tendría que aumentar en un 70% la producción de alimentos, con todas las consecuencias que ello reporta: monocultivos, agua, fertilizantes, etc. Ya hoy, uno de los problemas graves es el acaparamiento de tierra, sobre todo en África. Antes de diseñar un plan de cultivo de plantas de interés energético, en particular para biocarburantes, hay que analizar bien la sostenibilidad para evitar convertir el terreno en un erial en pocos años. Los embalses con la retención de sedimentos a largo plazo, y la tala no sostenible de árboles a corto plazo, son dos formas de iniciar un proceso de desertificación. La intensificación de la agricultura, el abandono de los terrenos y la urbanización del suelo cerca del litoral marino son causas de erosión. El 2% del territorio español (930.000 ha) presenta alto riesgo de desertificación. Hay científicos que creen que el sur de España será un completo desierto a finales del siglo XXI. A escala mundial afecta al 44% de la superficie. La situación más conflictiva acontece en Asia y África. Las acciones humanas que debilitan el suelo y aceleran la desertificación son: sobrepastoreo, pérdida de nutrientes por sobreexplotación agrícola, mal uso del suelo (regar con agua inadecuada), tala no sostenible de árboles, grandes explotaciones mineras o grandes obras civiles. El abuso del regadío mal aplicado puede provocar ciertos problemas medioambientales: anegamiento, salinización, contaminación del agua, eutrofización y sobreexplotación de los acuíferos. En conjunto, el regadío ha tenido un gran impacto sobre las aguas continentales, provocando una disminución de la biodiversidad y acentuando la desertificación. En referencia a los incendios, la ONU estima que cada año los incendios consumen unas 5.130 millones de toneladas de biomasa, liberando más de 3.400 millones de toneladas de CO2 a la atmósfera, que se suman a las habituales emisiones antropogénicas. Mal uso del suelo. Regar con agua rica en sales los lugares secos y cálidos provoca la salinización del suelo, impidiendo el crecimiento posterior de la vegetación. La minería tiene un alto poder modificador del paisaje, en particular la mineria energética y la metálica.

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España es un buen lugar para programar una reforestación: hay espacio baldío porque es un país muy montañoso y no es un país tropical donde esta actividad produzca mucho metano. La reforestación es necesaria en las zonas tropicales. Sin embargo, en latitudes altas el calentamiento provocado por el albedo anula los beneficios de los árboles. Algunos cultivos energéticos no llegan a alcanzar un balance energético positivo y aún no se ha ahondado en un estudio de impactos y riesgos ambientales. La puesta en marcha de estos cultivos de forma intensiva puede ser peligrosa. El régimen pluviométrico español es irregular. Las previsiones a largo plazo indican que seguirá siendo así y ello facilitará una progresiva desertificación en la zona del levante, en el sur y en la meseta central y sur. La desertificación también tiene repercusiones medioambientales fuera de las zonas en las que tiene lugar. Por ejemplo, los procesos de desertificación y la disminución de la vegetación dar lugar a la formación de partículas en suspensión en el aire, lo que puede alterar los procesos de formación de nubes y el régimen de lluvias.

Introducción Es evidente que existe una correlación entre energía y alteración del territorio, en particular en relación con su cara más peligrosa: la desertización. Según el Convenio Internacional sobre Desertización, este fenómeno puede definirse como la degradación de tierras en zonas áridas, semiáridas y seco-subhúmedas. Por tanto, toda degradación en estos ambientes resulta ser una desertificación, incluyendo las infraestructuras urbanas, el sellado por expansión urbanística, los invernaderos, la contaminación, etc. En resumen, se trata de una definición ambigua sobre la que es preciso matizar mucho puesto que España es un país muy propenso a ello. El fenómeno de la desertización se entiende como la paulatina transformación de las tierras empleadas como cultivos y pastos en tierras desérticas con la consiguiente disminución de la productividad biológica y económica. Podría definirse como la descompensación entre los recursos naturales y su capacidad de regeneración. La desertización fue el primer problema ambiental considerado de carácter global, reconocimiento que quedó formalizado en la Conferencia sobre Desertización de la ONU (Nairobi, 1977). En esta conferencia se elaboró un mapa de los desiertos, en el que España fue el único país de Europa occidental que quedó incluido con un índice muy alto de desertización, sobre todo en la zona del sureste español. Para enmarcar la problemática vale la pena hacer unas reflexiones preliminares:

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La energía hidráulica, o mejor, los embalses retienen sedimentos que empobrecen el suelo aguas abajo, lo que conduce, a largo plazo, a la desertificación. Una tala no sostenible de biomasa produce los mismos efectos, pero a partir de la erosión. Las redes de transporte de energía eléctrica (aunque se trate de energía de origen eólico) son un claro ejemplo de afectación del territorio. En suma, la producción masiva de energía a partir de combustibles fósiles genera CO2, a la vez eleva la temperatura, lo que acabará propiciando grandes alteraciones del territorio.

El estudio de la desertización se lleva a cabo a través de un método científico, conocido como cartografía vegetal, que permite su observación y coordinación. La Agenda 21 destina un capítulo a la lucha contra la desertización, que afecta a los sistemas de vida de una sexta parte de la población mundial. Cuando la desertización está provocada directamente por la actividad humana se conoce como desertificación. Finalmente, la disminución del régimen pluviométrico obligará a las autoridades a desalinizar agua de mar con el subsiguiente impacto energético. De ahí que en este apartado se haga hincapié en el problema del agua.

La desertificación de la península ibérica. Consecuencias energéticas

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La importancia del suelo La preservación del suelo deviene una actividad clave en el desarrollo de cualquier país, ya que facilita un óptimo entorno natural para garantizar un medio ambiente saludable y sostenible. El suelo permite la vida de los seres vivos, y es fuente de alimentos, agua y materias primas, por lo que debe protegerse de igual manera que se hace con la atmósfera y el agua. La formación del suelo es un proceso muy lento, que sigue las etapas que se muestran esquemáticamente en la Figura 14.1. La formación del suelo, de acuerdo a la Figura 14.1, es como sigue: 1. El lecho rocoso se deshace por efectos climáticos y geológicos. 2. La roca madre se descompone en fragmentos de menor tamaño. Los seres vivos contribuyen a la formación del suelo añadiendo materia orgánica. 3. En el desarrollo del suelo se forma un horizonte superficial, rico en materia orgánica,

y un horizonte profundo, con un elevado contenido en minerales. 4. A medida que pasa el tiempo, el suelo es capaz de sostener vegetación, con lo que puede empezar el ciclo de regeneración de forma efectiva. Entre las funciones más relevantes del suelo pueden destacarse: • • • • •

Biodiversidad y desarrollo de los ecosistemas. Almacenamiento de agua y materias primas. Soporte para agricultura y ganadería. Contribución al paisaje. Soporte para la vida de los seres vivos.

La valoración del estado del territorio se lleva a cabo a partir de su degradación a causa de la deposición incontrolada de residuos y los constantes efectos de erosión, lo que a medio o largo plazo puede generar un episodio de desertización. Otras consecuencias son la pérdida de diversidad, salinización, inundaciones, etc.

Figura 14.1. Esquema de la formación y composición del suelo.

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El corolario podría ser que se precisan miles o millones de años para crear un suelo orgánico capaz de retener vegetales y, por tanto, suscepti-

ble de capturar CO2. En cambio, solo se necesitan años para destruir el suelo e iniciar el proceso de desertización.

Fenómenos de erosión y desertización La erosión es una secuencia de sustracción o desgaste del suelo por la acción de procesos geológicos exógenos. Estos procesos pueden originarse de forma natural o a consecuencia de las actividades del hombre, y suelen verse favorecidos por la ausencia de cubiertas vegetales. Las causas de la erosión pueden ser diversas: intensificación de la agricultura, abandono de terrenos y urbanización del suelo en el litoral marino. Otra de las causas de la erosión del terreno es el clima. Los países áridos y semiáridos se caracterizan por recibir muy pocas precipitaciones, aunque cuando llueve lo hace con fuerza; estas lluvias torrenciales son capaces de erosionar fácilmente los terrenos. La falta de agua también provoca que la vegetación sea escasa y que aporte poca materia orgánica al suelo, proporcionándole una débil protección. Todo ello facilita que las escorrentías arrastren el suelo y lo que quede de vegetación, y se formen barrancos y fuertes pendientes. El viento también provoca erosión, especialmente en aquellas zonas secas desnudas de vegetación. Por su parte, la desertización es la progresiva transformación de la tierra cultivable en zonas áridas o semiáridas, a causa de las condiciones climáticas y de las actividades humanas, con la consecuente pérdida de sostenibilidad de los ecosistemas. Europa es el continente con mayor tasa de zonas áridas susceptibles de desertización, afectando a una superficie de prácticamente el 10%, especialmente en la región mediterránea: España, Grecia, Italia, Albania, Chipre, Armenia, etc. En el caso particular de España, un 2% del territorio (unas 930.000 hectáreas de terreno) tienen un riesgo muy alto de desertización, principalmente en zonas de Castilla-La Mancha, Andalucía, Murcia, Canarias y Valencia, aunque más de un tercio de la superficie española sufre riesgo de desertización. Solo Asturias y Galicia se libran de este peligro. Castilla-La Mancha (con 203.362 hectáreas), Andalucía (199.720 hectáreas), Murcia (194.599

hectáreas), Canarias (155.159 hectáreas) y Valencia (126.263 hectáreas) son las regiones con más superficie con riesgo de desertificación. Pero otras 48.000 hectáreas están en la misma situación repartidas entre Castilla y León, Cataluña, Baleares, Extremadura y Madrid. Un grupo de científicos poco optimistas cree que al ritmo actual de desertización, la mitad sur de España será un completo desierto a finales del siglo XXI, e incluso prevén que algunas especies vegetales y animales se extinguirán, sobre todo al verse impedido su desplazamiento hacia zonas más favorables al ir aumentando la temperatura. Otro problema añadido que prevén será la escasez de agua, y la desaparición de ríos al secarse y al salirse de sus cauces naturales. Otra consecuencia de la progresiva desertización del territorio español será la desaparición de litoral marino a causa del aumento del nivel del mar, lo que a su vez provocará un mayor riesgo de inundaciones. Un caso especial es el de la selva amazónica brasileña; si sigue el actual ritmo de deforestación, Brasil podrá perder durante el primer tercio del siglo XXI más del 21% de su superficie selvática, lo que equivale a una superficie de unos 670.000 km2 (desde 1970 Brasil ha perdido una superficie de 600.000 km2, es decir, una superficie superior a España). Las selvas contienen 400.000 millones de toneladas de CO2; la tala de árboles y los incendios forestales liberan este carbono acumulado en las plantas, lo que contribuye en gran medida al efecto invernadero. En la cumbre medioambiental de Bali se aprobó la creación de un fondo económico para evitar la deforestación de los bosques tropicales. Dicho fondo tiene el objetivo de compensar económicamente a los países subdesarrollados que no pueden explotar sus propios bosques. Los científicos han realizado simulaciones para estimar el impacto del cambio climático en los recursos hídricos de España a lo largo del siglo XXI. Aunque


existen diferencias en los resultados, todos coinciden en pronosticar una disminución de las aportaciones de agua, siendo el fenómeno especialmente acusado en las cuencas de la mitad sur peninsular. Todos los estudios señalan a España como el país más árido de Europa, con una tercera parte del territorio afectado, más o menos, por la desertificación. Los dos componentes fundamentales para la desertificación son la erosión y la salini-

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zación del suelo. Las proyecciones de cambio climático agravarían dichos problemas. Es decir, los impactos previsibles del cambio climático afectarán especialmente la salinización de los suelos de regadío y al riesgo de erosión de los suelos, en combinación con el probable aumento de los incendios forestales. El impacto de la salinización se concentrará en las regiones españolas de clima más seco.

Causas de la desertización La desertización está presente en todos los continentes (salvo en la Antártida) y afecta al medio de vida de millones de personas, entre los que se encuentran buena parte de las zonas pobres localizadas en tierras secas, que suponen el 41% de la superficie terrestre. Los ecosistemas de las tierras secas se caracterizan por una preocupante falta de agua. Entre ellas se encuentran tierras de cultivo, matorral, monte bajo, pastos, sabanas, semidesiertos y desiertos verdaderos. La escasez de agua limita la producción de cultivos, forraje, madera y otros servicios de los ecosistemas. La desertización está directamente relacionada con la intensidad de la aridez, y viene provocada por las variaciones climáticas y la actividad del hombre. Puede ser de diversos tipos en función de la pérdida de productividad: • • •

Moderada: entre 10% y 25%. Severa: entre 25% y 50%. Muy severa: más de 50%.

La mayor parte de la desertización es natural en las zonas que bordean a los desiertos. En épocas de

sequía estos lugares se deshidratan, pierden vegetación y buena parte de su suelo es arrastrado por el viento y otros agentes erosivos. Sin embargo, este fenómeno natural se ve agravado por actividades humanas que debilitan el suelo y lo hacen más propenso a la erosión. La mayoría de las poblaciones de las tierras secas viven en países en vías de desarrollo. Comparativamente, dichas poblaciones están muy atrasadas en cuanto a bienestar humano, renta per cápita y mortalidad infantil. La situación más precaria se vive en las tierras secas de Asia y África. Con frecuencia, las poblaciones de las tierras secas se encuentran socialmente marginadas. Como se detalla en el siguiente apartado, las actividades antropogénicas también han agravado el problema de la desertización: talas excesivas de vegetación, incendios provocados, pastoreo abusivo, prácticas agrícolas inadecuadas, construcción de carreteras y autopistas, etc. Todas estas actividades facilitan el arrastre de suelo y su paulatina degradación.

! " Históricamente, el modo de vida habitual de las tierras secas ha consistido en una combinación de caza, recolección, agricultura y pastoreo. Esta composición variaba con el tiempo, lugar y cultura. El crecimiento de la población ha motivado la extensión de los cultivos en las zonas secas, lo que en algunos casos ha provocado procesos de desertificación. En algunas zonas, la expansión

de los cultivos ha sido posible por un aumento, a menudo insostenible, del riego. El abuso del regadío mal aplicado puede provocar ciertos problemas medioambientales: anegamiento, salinización, contaminación del agua, eutrofización y sobreexplotación de los acuíferos. En conjunto, el regadío ha tenido un gran impacto sobre las aguas continentales, provocando una disminu-

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ción de la biodiversidad y acentuando la desertificación. Los incendios intensos y frecuentes que afectan a la vegetación natural también pueden contribuir a la desertificación. Sin embargo, las pequeñas quemas controladas pueden ser importantes para la gestión de los sistemas agrícolas y de pastoreo de las tierras secas, al fomentar el ciclo de nutrientes y la calidad del forraje. En este sentido conviene indicar que el cambio climático contribuye a la proliferación de incendios forestales naturales. La ONU estima que cada año los incendios consumen unos 5.130 millones de toneladas de biomasa, liberando más de 3.400 millones de toneladas de CO2 a la atmósfera, que se suman a las habituales emisiones antropogénicas. Este efecto es más acusado en aquellas zonas de baja pluviosidad. En zonas del sureste asiático está muy extendida la práctica de quemar bosques para ganar terreno y destinarlo a agricultura. Entre las acciones humanas que debilitan el suelo y acelera la desertificación se encuentran las siguientes: •

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Sobrepastoreo. Es la práctica de mantener el ganado por un largo periodo de tiempo sobre una tierra de pasto que es incapaz de recuperar su vegetación. El sobrepastoreo excede la capacidad de carga de una pastura, no pudiéndose reponer convenientemente, es decir, desaparecen progresivamente las especies comestibles, y crecen las no comestibles. El suelo desnudo ocasionado por el sobrepastoreo es más fácilmente erosionable, provocando un fenómeno de desertización. Sobreexplotación. El suelo se agota por la pérdida de nutrientes, a causa de una mala gestión de las actividades agrícolas. La sobreexplotación se produce por el acortamiento de los periodos que las tierras quedan en barbecho, es decir, libres de todo cultivo, y también por el mal uso de diversas técnicas mecánicas que producen una pérdida generalizada de suelo. Un ejemplo de sobreexplotación tuvo lugar en la Cuenca de Polvo, en las llanuras de Estados Unidos, hacia 1930. Se araron praderas semiáridas para cultivar cereales mediante

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técnicas de roturación profunda, desarrolladas en las latitudes más templadas de Europa Occidental. Cuando las grandes llanuras se vieron afectadas por la sequía de 1931, la erosión eólica produjo tormentas de polvo a una escala sin precedentes. Mal uso del suelo. Regar con agua rica en sales los lugares secos y cálidos provoca la salinización del suelo, impidiendo el crecimiento posterior de la vegetación. Tala de árboles. En la tala de vegetación para despejar tierras y emplear la leña de los árboles, la capa fértil del suelo queda expuesta directamente a la lluvia y a la radiación solar; la corteza del suelo se endurece y se seca, impidiendo la infiltración de agua. De esta forma empieza el proceso de desertificación, ya que disminuye la filtración acuosa, y la capa de suelo superficial se erosiona y se convierte en estéril. Minería. Esta actividad tiene un alto poder modificador de paisaje, así como un fuerte impacto ambiental. Buena parte de ella tiene que ver con la minería energética. Compactación del suelo. Este efecto tiene lugar por el paso reiterativo de personas, animales y vehículos por un mismo lugar, lo que provoca un endurecimiento del suelo, disminuyendo la concentración de oxígeno y, por consiguiente, la flora y fauna existentes. Políticas hidráulicas inadecuadas. La explotación insostenible de los recursos hídricos puede causar daños medioambientales irreversibles, como el agotamiento de acuíferos y la contaminación química.

Una posible solución expuesta por expertos medioambientales es la reforestación de bosques, pensando en su efecto regulador de temperatura y humedad. La realidad es que la reforestación en latitudes altas podría provocar hacia finales del siglo XXI un aumento de la temperatura en 5 ºC; en cambio, la replantación en zonas tropicales sí ayudaría a detener el cambio climático. Hay que tener en cuenta las tres funciones de los bosques: • •

Fijan CO2, ayudando a enfriar el planeta. Evaporan el agua incrementando la nubosidad, lo que evita el aumento de temperatura.


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Absorben la radiación solar, estando relacionados con el efecto albedo. El efecto albedo es el porcentaje de radiación solar reflejada por la superficie terrestre respecto a la incidente. El albedo varía en función del color de la superficie reflectora: cuanto más clara sea, mayor cantidad de luz reflejará, mayor será su albedo y, por tanto, menor será la temperatura. En latitudes altas el calentamiento provocado por el albedo anula los beneficios de los árboles.

CULTIVO DE ESPECIES DE INTERÉS ENERGÉTICO La producción de cultivos energéticos en España debe intentar maximizarse en paralelo a la consecución de los objetivos recogidos en el Plan de Energías Renovables 2005-2010 (PER). En el caso concreto de los biocarburantes, el PER aspira a que cubran el 5,83% del mercado de carburantes en el año 2010. Para ello, se estima que podrían llegar a cultivarse en España algo más de 1,3 millones de hectáreas, de las que el 30% se destinaría a cultivos de colza para hacer biodiesel y el resto, básicamente, a cereales para la industria del bioetanol. El PER, dentro de sus propuestas de I+D, incluye el desarrollo de un Programa de Promoción de los Cultivos Energéticos que supone la selección y mejora de especies, además del desarrollo de técnicas para el aprovechamiento de material lignocelulósico para la producción de biocarburantes. Sin embargo, cabe resaltar lo que significa introducir estos cultivos agroenergéticos desde el punto de vista de requerimientos de suelos, agua de regadío y costos de materia prima. Algunos de estos cultivos no llegan a alcanzar un balance energético positivo y aún no se ha ahondado en un estudio de impactos y riesgos ambientales. La puesta en marcha de estos cultivos de forma intensiva podría traer consigo efectos negativos, tanto para el suelo, como para las aguas subterráneas y superficiales, debido a que se deben implementar sistemas de fumigación intensiva y el abonado de la tierra debe ser mayor para compensar la necesidad de micronutrientes por parte de las plantas. De igual manera, no se ha profundizado en calcular cuáles y cuántas serán las emisiones a la at-

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mósfera, cuando se inicie la siembra y explotación de estos cultivos; se supone que la introducción de los biocarburantes en la automoción disminuye los gases de efecto invernadero y también las emisiones de CO2, pero no se describe nada al respecto de las emisiones en la producción de estos cultivos energéticos y de la transformación a los biocombustibles correspondientes. Aunque no se contemple, en un principio, el uso de cultivos de regadío como el maíz, cabe mencionar algunas cifras que serían de gran importancia en la implantación de este cultivo desde el punto de vista de necesidad de agua, lo que se traduce en cantidad y precio de este recurso, con lo cual no se estimaría probable la puesta en marcha de este cultivo con intereses agroenergéticos para alcanzar los objetivos previstos para 2010 en el PER. La producción de bioetanol se basa en España en los cultivos de cereales, al igual que en EE UU, que es el líder mundial en la producción de maíz y colíder en la producción de bioetanol después de Brasil. Se debe revisar el tema porque son condiciones ambientales y climáticas completamente diferentes: en España la escasez de agua es un tema que requiere gran estudio antes de tomar cualquier decisión al respecto. Estos cultivos, a diferencia de los agrícolas tradicionales, tienen como principales características su gran productividad (generalmente superior a las doce toneladas de materia seca por hectárea y año) de biomasa y su elevada rusticidad, expresada en términos tales como resistencia a las enfermedades y a la sequía, vigor y precocidad de crecimiento, y capacidad de rebrote y de adaptación a terrenos marginales. Una condición imprescindible para la viabilidad de este tipo de cultivos es la necesidad de que el balance energético de todo el proceso productivo sea positivo, es decir, que se produzcan más calorías de las que se han consumido en su obtención. El sector agrario de los países desarrollados está atravesando en estos momentos una profunda crisis a causa de los aumentos constantes en la tasa de producción de alimentos, lo que ha motivado la generación de un gran número de excedentes. Esta situación ha motivado la adopción de políticas drásticas de reducción en la producción de alimentos con el objetivo de equilibrar la oferta y la demanda agroalimentaria. Este proceso es lo que se

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conoce por el apelativo genérico de Reforma de la Política Agrícola Común (PAC), mediante subvenciones a los agricultores que dejan sin cultivar una parte de su superficie agrícola. Estas tierras retiradas de la producción de alimentos pueden quedar en barbecho o pueden destinarse a producciones no alimentarias, sin perder en este caso el derecho a la subvención. Atendiendo a su origen, los cultivos de interés agroenergético están integrados por especies leñosas y herbáceas, entre las cuales se incluyen especies cultivadas en la agricultura tradicional, como el trigo, maíz y caña de azúcar, y otras no convencionales.

LOS CULTIVOS EN INVERNADEROS Un invernadero es toda aquella estructura cerrada cubierta por materiales transparentes, dentro de la cual es posible obtener unas condiciones artificiales de microclima, y con ello cultivar plantas fuera de estación en condiciones óptimas. Las ventajas del empleo de invernaderos son: • • • • • •

Precocidad en los frutos. Aumento de la calidad y del rendimiento. Producción fuera de época. Ahorro de agua y fertilizantes. Mejora del control de insectos y enfermedades. Posibilidad de obtener más de un ciclo de cultivo al año.

El desarrollo territorial produce inevitables impactos sobre el territorio y la agricultura es una actividad especialmente incidente en el medio. El modelo de cultivo en invernadero puede ser potencialmente una variedad muy agresiva. Dentro de lo que se denomina cultivo en invernadero, deberían distinguirse dos variedades muy diferentes: •

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El cultivo sobre un lecho de arena/tierra y estiércol. Se trata del sistema mayoritario en España. Para ello se deben elegir suelos con buen drenaje y de alta calidad, aunque con los sistemas modernos de fertirriego es posible utilizar suelos pobres con buen drenaje o sustratos artificiales. El cultivo hidropónico. Donde la mata se desarrolla desde el interior de un saco en cuyo interior existe un sustrato bañado de agua que contiene los diversos nutrientes.

Los primeros son grandes consumidores de recursos. Así, para producir 65 t de productos pueden precisar: 0,6 t de plantas, 3,5 t de agua, 2,3 t de fertilizantes, 0,2 t de pesticidas, 0,3 t de combustibles y 1 t de plástico. A ello hay que añadir, de promedio: 10 t de estiércol, 35 t de arena y 20 t de suelo. Además, da lugar a los siguientes residuos: 27 t de orgánicos, 1 t de plástico y 0,3 t de lixiviado (agua, pesticidas y fertilizantes). Es evidente que el empleo intensivo de este modelo va a tener serias consecuencias sobre el entorno. En cambio, en los segundos, además de tener unos ratios de consumo infinitamente más reducidos, no existe interacción entre el cultivo y el medio y, en teoría, no debe hablarse de contaminación. España tiene un potente sector de cultivo de frutas y hortalizas en invernadero que se cifra en más de 50.000 hectáreas, de las cuales casi la mitad se hallan en Almería (26.000 ha), seguida de Huelva (6.500 ha), Murcia, Granada, Comunidad Valenciana, Canarias, Málaga, etc. En 2008 estas “fábricas” de hortalizas representaron unas ventas de 5.000 millones de euros. El propio sector reconoce que en los buenos tiempos no se hicieron las previsiones correctas, básicamente en tecnología e innovación, y hoy en día el sector está acuciado por la competencia, por mano de obra del norte de África (el coste de la mano de obra está sobre los 0,5 €/h, mientras que en Almería ronda los 7 €/h) y los grandes avances tecnológicos del norte de Europa, donde han logrado una mayor productividad por metro cuadrado, precisamente en aquellas zonas donde se destina la producción española. En el caso del tomate los invernaderos españoles, la mayoría obsoletos, tienen una producción media de 12 kg de tomate por metro cuadrado, mientras en muchas zonas del norte de Europa es normal llegar a los 50, o el caso de los Países Bajos, que han alcanzado los 100 kg/m2. Para combatir el efecto invernadero se propone la introducción del CO2 en los cultivos con lo que se mejora la productividad de los invernaderos. En el sur hay que añadir las graves deficiencias de agua y la salinización de los acuíferos, lo que ha agravado los problemas ambientales. En este sector, ni la administración ni el sector afectado han


sabido prever el futuro. En la actualidad la mayor parte de los plantones y semillas son extranjeras y deben pagar royalties. Un caso significativo lo constituye la fresa. España es el primer país comunitario en la producción de fresa y, sin embargo, la investigación utilizada en el sector pertenece a una universidad de California. Cabe anotar, para finalizar, que los campos de investigación de futuro, en líneas generales, se pueden circunscribir a: • •

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Potenciar el cultivo hidropónico en sustratos artificiales. Regular la temperatura del invernadero y del suelo. Temperatura en invernaderos. Generalmente, la temperatura mínima requerida para las plantas de invernadero es de 10-15 ºC, mientras que 30 ºC es la temperatura máxima. Una diferencia de 5-7 ºC entre las temperaturas diurnas y nocturnas suele resultar beneficiosa para las plantas. La temperatura del suelo es, incluso, más importante que la temperatura del aire en un invernadero. Cuando la temperatura del suelo está por debajo de 7º C, las raíces crecen más despacio y no absorben fácilmente el agua ni los nutrientes. Un suelo templado es muy importante para que las semillas germinen y para que se desarrollen los esquejes de raíces. La temperatura ideal para la germinación de la mayoría de las semillas es 18-25 ºC. Hoy en día se pueden aprovechar infinitos calores residuales para aportar el calor, cuando sea preciso. La ventilación es un aspecto fundamental, sea cual sea el tiempo que haga. Incluso en días fríos es conveniente ventilar el interior una hora a mediodía para que circule el aire. La ventilación es muy importante, tanto para expulsar el aire caliente como para hacer que circule dentro del recinto, a la hora de evitar plagas y enfermedades. La humedad. La mayoría de las plantas prefieren una humedad relativa del aire entre el 45 y el 60%. La humedad alta favorece la transmisión de plagas y enfermedades. La humedad baja podría secar las plantas. La transpiración de las hojas aumenta la humedad de un invernadero.

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La atmósfera. Hoy en día existen medios para aportar una cantidad de CO2 para estimular el crecimiento de las plantas. Modificaciones del microclima local. En este sentido, investigadores de la Universidad de Almería han demostrado que, en los últimos 25 años, la temperatura de la zona ha descendido 0,75 ºC gracias al “efecto espejo” de las cubiertas de plástico.

LOS ORGANISMOS MODIFICADOS GENÉTICAMENTE (OMG) Parece obligado, como complemento, destinar un párrafo a hablar de los OMG, también denominados transgénicos, y su relación con la sostenibilidad. Los OMG se deben diferenciar de acuerdo con las formas básicas de conseguirlos: •

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Modificando un gen o genes existentes, tal sería el caso del intento de suprimir el gen responsable de la aparición de cuernos en el ganado vacuno o el gen que regula el ablandamiento de los tomates. Introduciendo un gen pero que pertenece a la misma especie, como se ha hecho con la introducción de genes de cierto tipo de maíz de Centroamérica (una variedad de Guatemala resiste muy bien el ataque de ciertas plagas) para introducirlo en la variedad cultivada en EE UU. Extrapolando esta tendencia se llegaría a la extinción de ciertas especies interesantes y con ello la pérdida de la biodiversidad. Introduciendo un gen, de un organismo en otro, que pertenece a otra especie. Tal es el caso de la creación de un tipo de colza y maíz con la introducción de un gen de una bacteria presentes en los suelos y los hace inmunes al ataque de plagas de insectos.

Los últimos avances en ingeniería genética han llevado a los científicos a conocer el mapa genético de las plantas y poder así incidir sobre sus características. Estas investigaciones han dado lugar al desarrollo de la biotecnología. Los científicos han introducido genes en las plantas originales, produciendo en éstas nuevas semillas de características diferentes a las iniciales. Las primeras cosechas comercializadas que estaban mo-

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dificadas genéticamente, fueron plantadas en 1995. Hasta la actualidad la mayor parte de los organismos modificados genéticamente y que se han comercializado son resistentes a las diferentes plagas. Las diferentes opciones de la nueva tecnología se usan profusamente y puede dar lugar a confusiones, por ello es conveniente aclarar las definiciones básicas: •

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La Biotecnología esta definida por la OCDE desde 1982 como “la aplicación de organismos, sistemas y procesos biológicos a la producción de bienes y bienes en beneficio del hombre”. Así y para citar un ejemplo sencillo de biotecnología es la introducción de microorganismos para la producción de determinados alimentos como el yogur o el queso. La Ingeniería Genética es el conjunto de técnicas que permiten modificar el genoma de los seres vivos, dando lugar a la Biología Molecular. Con ello se modifica el ADN y da lugar, cuando se aplica a los alimentos a los transgénicos.

La aplicación de esta tecnología también ha producido aspectos contrarios a lo que pretendía. Las nuevas proteínas, formadas por la alteración genética, pueden originar trastornos alérgicos a los consumidores. Por otra parte los insectos pueden desarrollar resistencias hacia las toxinas producidas por las plantas, de forma similar a como lo hacen frente a los insecticidas. Finalmente cabe destacar

que el efecto de los genes de insecticida puede alterar la población de microorganismos que son los responsables de la degradación de la vegetación. Las ventajas son igualmente importantes. En primer lugar el empleo de semillas modificadas genéticamente hace las plantas más resistentes a las enfermedades y plagas con lo que se puede reducir o suprimir los productos fitosanitarios. Por otra parte, los organismos modificados genéticamente, se perfeccionarán y van a ser la salvación para una serie de pueblos que ahora mueren de hambre. Para dar una idea de la magnitud de la importancia de los OMG, en 2005 había más de 90 millones de hectáreas con transgénicos (54,5 millones de ha de soja, 21,2 millones de ha de maíz y 9,8 millones de ha algodón) en 21 países. El principal país es EE UU con más del 50% de los cultivos y España ocupa el puesto 14. Ya en la década de 1990, científicos norteamericanos han logrado implantar, con éxito, un gen resistente a las heladas, procedente de un pescado, en el código genético del tomate con la esperanza de lograr la plena resistencia a las heladas. En sentido semejante se ha conseguido cultivar plantas con una cantidad muy reducida de agua, por tanto resistentes a las sequías. También se trabaja en la línea para que las plantas reduzcan, de forma sustancial, la necesidad de fertilizantes nitrogenados, así como la mano de obra necesaria para cultivar, la cantidad de agua, de energía, de fertilizantes, etc.

Repercusiones ambientales de la desertización La desertización también tiene repercusiones medioambientales fuera de las zonas en las que tiene lugar. Por ejemplo, los procesos de desertificación y la disminución de la vegetación dan lugar a la formación de partículas en suspensión en el aire, lo que puede alterar los procesos de formación de nubes y el régimen de lluvias. Las nubes de polvo de grandes dimensiones pueden tener repercusiones a escala local, pero también a miles de kilómetros de distancia del lugar de origen, afectando a la calidad del aire y ocasionando problemas en zonas con una mayor densidad de población. Además, la disminución de la cubierta vegetal en las tierras secas y áridas provoca inundaciones destructivas

río abajo, así como una acumulación excesiva de arcilla y limo en los embalses, pozos, deltas fluviales, desembocaduras y zonas costeras, situados con frecuencia fuera de las tierras secas. El impacto social y político de la desertización se hace notar también fuera de las tierras secas. Por ejemplo, el flujo de personas de las tierras secas hacia otras regiones puede contribuir a una expansión urbana descontrolada y provocar problemas socioeconómicos. Las migraciones que se producen como consecuencia de la desertificación podrían poner en peligro la estabilidad política y económica a nivel local, regional e, incluso, mundial.


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Una vez explicados los problemas asociados al fenómeno de la desertización, se exponen a grandes rasgos una serie de propuestas de carácter estratégico, establecidas en los compromisos derivados de las diversas cumbres en materia medioambiental, con el firme objetivo de reequilibrar el modelo territorial. Las acciones, o desafíos, son las siguientes: •

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Protección y recuperación de los suelos, del mismo modo que se hace con los otros dos vectores ambientales: atmósfera y agua. Establecer una legislación específica que promueva la conservación del territorio. Desarrollo de los compromisos adquiridos para la protección del suelo, en concreto el PAND (Programa de Acción Nacional con-

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tra la Desertización) del Ministerio de Medio Ambiente. Aplicar una correcta política hídrica para evitar episodios de salinización y posibles sequías. Fomento de buenas prácticas agrarias. Optimización del uso de fertilizantes y pesticidas. Prevención de los incendios. Revisión del PNSC (Plan Nacional de Recuperación de Suelos Contaminados, 19952005), basado en la identificación de las actividades potencialmente contaminantes. En este sentido, se requiere una nueva identificación y caracterización de dichas actividades.

El régimen pluviométrico en España Las precipitaciones en España se caracterizan por su alta variabilidad espacial y temporal. En cuanto a la variabilidad espacial, el valor medio es de unos 700 mm/año, 1.600 mm pueden caer en la zona norte, y menos de 300 mm en amplias áreas del sureste peninsular y de las Islas Canarias. Ello

condiciona los distintos grados de vulnerabilidad regional a la sequía. La Figura 14.2 muestra los valores medios de las precipitaciones anuales en España desde 1940 hasta 1996. La variabilidad temporal se demuestra con los valores de las precipitaciones medias en España.

Figura 14.2. Mapa de valores medios de la precipitación anual en España, periodo 1940/41-1995/96. (Fuente: Hispagua).

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Las rachas de años secos son más largas que las húmedas. Desde el año 1940 se observan tres periodos distintos: seco desde 1940 a 1957, húmedo desde 1958 a 1978, y seco desde 1979 hasta 1995. El Instituto Nacional de Meteorología ha comprobado que España ha iniciado desde noviembre de 2004 la sequía más severa desde que en 1947 se empezaran a recopilar los datos pluviométricos. A partir de 2004 se sufrió un acusado déficit de precipitaciones generado de modo progresivo sobre todo el territorio español. Este déficit se fue incrementando de forma considerable a lo largo del invierno de 2005, de forma que el volumen total de agua acumulado por las precipitaciones registradas en las cuencas peninsulares supuso un 37% menos que el valor medio normal. Es obvio que este parámetro afecta directamente a la generación de electricidad y al precio de la misma ya que la electricidad de origen hidráulico es de las más baratas. En España, la sequía acaecida durante el periodo comprendido entre 1991 y 1995 se gestio-

Figura 14.3. Serie de precipitaciones anuales medias en España en el periodo 1940/41-1995/96. (Fuente: Hispagua).

nó de manera urgente mediante el uso de aguas subterráneas. Este tipo de agua representa la respuesta más efectiva contra la sequía cuando se gestiona como situación de crisis que requiere actuaciones de emergencia. En ese momento permitió garantizar el abastecimiento en Granada, Jaén, Málaga, Cádiz y Teruel. En áreas donde vienen explotándose de forma planificada, como en la Marina Baja (Valencia), el impacto de la sequía fue menor. La explotación de aluviales permite disponer de caudales de manera rápida y con un índice de fallo muy bajo aunque su sostenibilidad temporal sea limitada. Los éxitos estuvieron muy vinculados al buen conocimiento hidrogeológico de los acuíferos. Sin embargo, la afección a elementos sensibles (manantiales, humedales, espacios naturales, etc.) es fuente de conflictos que suele abortar la solución y se hace imprescindible planificar y coordinar las actuaciones entre las diferentes administraciones.

El problema del agua desde el punto de vista de la energía. Costes de desalinización y trasvases

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EL ABASTECIMIENTO DE AGUA ESTA DIRECTAMENTE RELACIONADO CON EL SUMINISTRO DE ENERGÍA •

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La escasez de agua es una realidad permanente en zonas de España y ocasional en otras. Las desalinizadoras son una solución al abastecimiento en la costa (en las Islas Canarias el 27% proviene de esta fuente). Energéticamente es una solución cara. Tratándose de agua de mar, por cada 100 litros captados, 45 se aprovechan y el resto, con el doble de salinidad, ha de retornar al mar. El recibo del agua es, realmente una cifra baja si se tiene en cuenta que el servicio incluye la captación, la potabilización, el suministro y, habitualmente, la depuración. La pregunta surge de inmediato ¿Se paga lo necesario por el agua? Si se compara la factura del agua en España con otros países de nuestro entorno se puede apreciar una gran diferencia: Dinamarca paga 4,4 €/m3, Inglaterra 3,1 €/m3 y en Francia la media no baja de 2,7 €/m3. Teniendo en cuenta que en todos estos países el régimen pluviométrico es mucho más favorable que en España, se deduce que en España el precio del agua no recoge todos los involucrados. El movimiento migratorio potenciado por el turismo determina la disponibilidad de agua en el territorio. Por ello hay que diseñar una política de agua equilibrada. Los recursos hídricos potenciales en España son muy superiores a los realmente disponibles, y no más de un 10% podrían aprovecharse sin alterar el régimen natural, porque los ríos españoles tienen grandes diferencias de caudal entre unas estaciones y otras; además, el régimen fluvial es torrencial y hace difícil que puedan aprovecharse directamente. En cambio, en Francia el 40% del agua de los ríos es aprovechable sin necesidad de la existencia de presas y embalses. La nueva planta de ósmosis de Barcelona producirá 180.000 m3/día y precisará una potencia instalada de 35 MW. Al ritmo del consumo actual (110 litros/persona) podrá abastecer a 1.636.000 ciudadanos. Naturalmente tiene impactos de diversa índole, empezando por el energético. El Plan Nacional de Desalinización prevé la obtención de 1.000 hm3 en poco tiempo. Hay que ser conscientes que el suministro de energía eléctrica va a provocar la misma emisión de gases de efecto invernadero que el conjunto de EDAR operativas en todo el territorio español. En la actualidad, contando con la recuperación de energía del rechazo, se ha llegado, casi, al límite de la eficacia de las membranas de ósmosis inversa. Esto significa que el consumo energético, en este proceso, no podrá reducirse.

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Es preciso analizar otras opciones a la tradicional ósmosis inversa para desalinizar agua como la tecnología usa un nuevo desarrollo de membrana hidrofóbica para separar el agua caliente del mar del destilado y combina un elevado transporte de vapor de agua con un alto ratio de evaporación. En Cataluña el 8% de la población (agrícola y ganadera) consumen el 60% del agua. A escala del estado español la desproporción es mayor. El primer remedio parece encaminado al ahorro o a usar métodos de cultivos más eficientes. Después de la racionalización del consumo, promocionar el uso de agua reciclada y del ahorro, queda la opción de los trasvases (la Tabla 15.4 compara los costes de trasvases versus desalinización). La red de distribución de agua es poco eficiente. Existen grandes pérdidas. A escala del estado español, la agricultura acapara el 80% de los usos del agua. Muchos de los sistemas de regadío son ineficientes e incluso contaminantes, ya que se añaden pesticidas al agua. A medio plazo, el cambio climático producirá alteraciones: en las zonas meridionales de España se incrementará el riesgo de inundaciones alternadas con altas temperaturas y sequías. De ahí que sea imprescindible planear una gestión amplia del recurso agua. En un futuro próximo los científicos lograrán especies de plantas que precisen muy poca agua pero sigan absorbiendo CO2.

Introducción En el mundo en general, y España no es una excepción, el ciclo del agua se ha alterado debido al cambio en las pautas de consumo de agua doméstica con incremento de duchas, jardines, piscinas y segundas residencias. La nueva planificación del agua debería realizarse según estimaciones realistas a partir de los recursos disponibles. Es también necesario un esfuerzo de pedagogía social del agua que contribuya a entender y progresar hacia un cambio de mentalidad. En este sentido hay que destacar dos puntos fundamentales: es necesaria la reconversión del regadío, con un incremento de la productividad y una mejora medioambiental. En la gestión en la industria es preciso usar el potencial de regeneración de aguas residuales. La gestión del agua, con el tiempo, lleva asociada una mayor carga energética. En otras palabras, el tiempo del “agua fácil y abundante” se ha terminado. El precio del agua en Cataluña para el consumo doméstico es, en promedio, de 1,23 €/m3. Como el consumo es de 122 litros por habitante y día, se supone que cada ciudadano paga por el servicio 0,15

€/día. Realmente se trata de una cifra baja si se tiene en cuenta que el servicio incluye la captación, la potabilización, el transporte y, habitualmente, la depuración. La pregunta surge de inmediato: ¿Se paga lo necesario por el agua? Si se compara la factura con otros países de nuestro entorno se puede apreciar una gran diferencia: Dinamarca paga 4,4 €/m3, Inglaterra 3,1 €/m3 y en Francia la media no baja de 2,7 €/m3. Teniendo en cuenta que en todos estos países el régimen pluviométrico es mucho más favorable que en España, se deduce que en España el precio del agua no recoge todos los costes involucrados. La realidad del problema de la poca disponibilidad de agua, que afecta tanto a nivel social como políticamente, obliga a definir y establecer los costes asociados a las soluciones propuestas: desalinización y trasvase. De hecho, conseguir potabilizar el agua del mar es una de las posibles soluciones a la escasez de agua potable. Un inconveniente de la desalinización es que consume mucha energía eléctrica, lo que contribuye al cambio climático, y produce una gran cantidad de salmueras que pueden deteriorar la fauna y flora, máxime si no se


vierte correctamente. Además, las aguas así generadas deben acondicionarse posteriormente para ser suministradas a la población. Las plantas desalinizadoras son instalaciones muy empleadas para el suministro de agua potable en aquellas zonas con pocos recursos hídricos. Por ejemplo, en las Islas Canarias, el 27% del agua potable proviene directamente del mar. Se trata de una tecnología con más de 30 años de experiencia que ha evolucionado mucho en los últimos años, especialmente en lo concerniente a la reducción del consumo energético y al coste final del agua obtenida. En el caso de Cataluña, en 2008 solo funciona una planta en Blanes que garantiza el suministro de agua a las poblaciones de la zona, con una baja afectación al medio ambiente. La nueva planta de El Prat de Llobregat (con una inversión de unos 240 millones de euros y una capacidad de producción de hasta 60 hm3 al año) suministrará agua al área metropolitana de Barcelona. La planta de Llobregat tendrá un factor de conversión del 45%, de cada 100 litros que se capten, se obtendrán 45 litros de permeado. La planta captará agua de mar con una salinidad de 39.700 ppm, obteniendo un permeado con una concentración en sales de 110 ppm, es decir, una eliminación de sales del 99,7%. Se devuelven 55 litros al mar con una salinidad de 78.381 ppm, esto es, un 7,2% de sal, el doble que el agua de entrada. La Estrategia Europea de Desarrollo Sostenible identifica la resolución de los problemas asociados con la escasez del agua como uno de los principales retos que se plantearán en las próximas décadas. En zonas del sur de la Unión Europea se han dado episodios de desertización y

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salinización a causa de la entrada de agua marina en los acuíferos. El Programa AGUA (Actuaciones para la Gestión y Utilización del Agua) del Ministerio de Medio Ambiente, tiene el propósito de ejecutar una nueva política de gestión del agua capaz de aportar 670 hm3 de agua al año. El programa AGUA tiene previsto el incremento del suministro de agua mediante las siguientes actuaciones: • • • •

Desalinización. Reutilización de aguas residuales. Restauración ambiental de los ecosistemas fluviales, acuíferos y humedales. Modernización de los actuales sistemas de regadío.

El objetivo es que las medidas que se pongan en marcha garanticen una mayor eficiencia energética y más sostenibilidad aprovechando las mejores tecnologías disponibles, siempre promoviendo el concierto social. El Programa AGUA contempla la construcción de 34 plantas desalinizadoras, algunas de las cuales ya están funcionando (Carboneras, Almería), otras están en fase inicial de explotación (El Prat de Llobregat, Barcelona) y otras ya están adjudicadas (Campo de Dalías, Almería; Cunit, Tarragona). Todas las actuaciones que lleva a cabo el programa AGUA cuentan con la declaración de impacto medioambiental correspondiente, garantizando su no afección al medio ambiente. Es prioritario dotar a las zonas meridionales de España, que se verán seriamente afectadas por el irremediable avance del cambio climático, y de los recursos hídricos suficientes.

Otros aspectos relacionados con el acceso al agua Las infraestructuras relacionadas con el agua responden a una multiactividad ya que tiene factores directamente relacionados como el sector primario, los sanitarios, la protección ambiental, los recursos disponibles, la energía, las posibilidades financieras, etc. A partir de la necesidad de una visión integral del ciclo del agua es preciso abordar el problema económico puesto que hay que financiar:

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La garantía de abastecimiento que, en muchas zonas de España, no es nada fácil. La garantía se refiere a la cantidad que deberá estar disponible en todo momento. Ello supone una capacidad productiva y de disponibilidad del agua superiores a las necesidades ordinarias (Sin embargo, el coste lo debe soportar el agua realmente utilizada). Garantía de calidad. Garantía de servicio,

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lo que supone redundancia en equipos y atención a los clientes. La depuración. En 2008, la inmensa mayoría de las aguas residuales españolas se trataban, si bien quedan por resolver aún muchas poblaciones pequeñas. La reutilización, en particular la de origen industrial. Cada industria produce una tipología de agua residual especial y diferenciada. En principio, de cara al aprovechamiento, lo más aconsejable es la reutilización interna. La reutilización en torres de enfriamiento es una de las aplicaciones más relevantes y que se debería potenciar. A título de ejemplo, se calcula que

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•

la industria química catalana, muy importante, gasta el 50% del agua en circuitos de refrigeración. Se debe cumplir con la Directiva de Calidad de agua para el consumo humano, lo que implica mejoras en la potabilización. Las restauraciones ambientales.

El coste añadido de las diversas garantías antes reseñadas presiona a las tarifas de agua al alza. De hecho el modelo que desea y corresponde al ciudadano del estado del bienestar supone un coste muy superior al de la tarifa, en el caso de España, del orden de tres veces. Esto explica, en parte, la diferencia del precio del agua entre nuestro país y los vecinos.

Fenómenos migratorios y economía del agua en España La biodiversidad presente en España, y la variedad de climas, paisajes y regímenes fluviales influye significativamente sobre los entornos hídricos, causando una severa heterogeneidad en la disponibilidad y distribución del agua. Otro factor que determina en gran medida la disponibilidad del agua es el movimiento migratorio hacia las zonas meridionales a causa de la bonanza del clima y la existencia de playas cercanas. En este sentido, convergen dos situaciones que pueden agravar la disponibilidad del agua en estas zonas del litoral español: incremento demográfico y escasez de recursos hídricos en la mitad sur de la península Ibérica. Además, el aumento demográfico se ve agravado por el impacto de las actividades turísticas en las áreas meridionales costeras. El consumo de agua se ve incrementado en estas zonas que son deficitarias en su suministro, pero es necesario dar servicio tanto a la población permanente como a la estacional, y muchas veces no puede ser de otra forma que sobredimensionando las infraestructuras. La disponibilidad de recursos hídricos adecuados y constantes es actualmente un factor limitante para el desarrollo turístico y el mantenimiento de la actividad socioeconómica en estas zonas meridionales. A causa de la importancia y del carácter estratégico del turismo para la economía española, resulta imprescindible proporcionar a estas zonas turísticas la

garantía y la seguridad en el suministro y calidad de agua; asimismo, es necesario tratar adecuadamente y reutilizar las aguas residuales urbanas generadas. Los recursos hídricos potenciales en España son muy superiores a los realmente disponibles, y no más de un 10% podrían aprovecharse sin alterar el régimen natural, porque los ríos españoles tienen grandes diferencias de caudal entre unas estaciones y otras; además, el régimen fluvial es torrencial y hace difícil que puedan aprovecharse directamente. Para poder disponer de agua se han construido embalses que la almacenan en la época lluviosa, además de regular el caudal de los ríos y poder generar energía. En cambio, en Francia el 40% del agua de los ríos es aprovechable sin necesidad de la existencia de presas y embalses. Para minimizar los efectos de esta irregularidad es conveniente adoptar una buena política del agua, reutilizar las aguas residuales, explotar las aguas freáticas y emplear recursos no convencionales, como la desalación de agua marina. Según estadísticas y previsiones de la Agencia Catalana del Agua, la dotación media, en 2003, fue de 297 litros/habitante y día, lo que representó un suministro a las redes municipales de 750 hm3/año. El aumento de población equivalente previsto para 2025, a pesar de que la dotación por habitante se reducirá a 283 litros/habitante y día, supondrá que el suministro deberá aumentarse hasta 915 hm3/año.


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El proceso de desalinización Como muchas de las zonas del levante español, el área de Barcelona ha sufrido escasez de agua de manera endémica, de forma que después de un larguísimo debate y una vez aprobado el Plan Hidrológico Nacional, por fin se eligió una solución: la desalinización. Una planta de desalinización con una capacidad de producción de 200.000 m3/día que puede abastecer entre el 17% y el 20% del área de Barcelona. Como es sabido el coste de desalinización es alto, por eso las autoridades se han esforzado en poner de relieve las bondades del nuevo sistema con el lema de que el agua de mejor calidad es siempre la más barata, para ello aducen dos tipos de razones: •

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Propiedades organolépticas: importante mejora cuantitativa del olor y el sabor. Con ello habrá una reducción del consumo de agua envasada. Ventajas económicas: reducción de los gastos en averías y mantenimiento de electrodomésticos (derivados de la cal). Reducción en el consumo de detergentes y productos usados para combatir la dureza del agua. Al obtener un agua menos dura, también es más económica de calentar.

La desalinización es un proceso que reduce la concentración salina del agua, obteniendo un agua dulce que resulta adecuada para el abastecimiento y el regadío. En los orígenes, la desalación consistía en la evaporación del agua y el posterior

aprovechamiento del vapor condensado, aunque el problema de esta técnica es que tenía un consumo energético muy elevado. De esta forma surgieron las plantas que producían electricidad y agua a la vez, semejantes a las actuales plantas de generación termoeléctrica, con el firme objetivo de intentar reducir los costes económicos globales, aunque la realidad era que el consumo energético final seguía siendo muy alto. Los primeros sistemas de desalinización evolucionaron hacia la tecnología de membranas de ósmosis inversa; los sistemas primigenios permitían desalinizar agua, con una concentración en sal de unos 12 g/l, y un rechazo del 85% de las sales, y a un precio más económico que el de la evaporación. La Figura 15.1 esquematiza un proceso de ósmosis inversa de agua. Tal y como muestra la Figura 15.1, el proceso de ósmosis inversa consiste en bombear el agua a tratar hacia el pretratamiento, o acondicionamiento, para eliminar aquellas sustancias que puedan dañar a las membranas. A continuación, el agua es impulsada por un grupo de presión hacia el equipo de ósmosis. En el interior de los módulos, una parte del solvente (entre el 40% y el 90% dependiendo del porcentaje de recuperación) atraviesa las membranas dando lugar al permeado. El resto, entre el 60% y el 10% del caudal, junto con las sales, forma el concentrado o rechazo. En la Tabla 15.1 se muestran los diferentes tipos de agua en razón a su salinidad.

Figura 15.1. Esquema de un proceso de ósmosis inversa.

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Tabla 15.1. Tipos de agua en función de su grado de salinidad. Tipo de agua Dulce

Salinidad (g/l) <1

Salobre

1-10

Salina

10-30

Marina

30-50

Salmuera

50-200

Posteriormente aparecieron unas membranas que eran capaces de desalinizar agua de mar, lo que demostraba que la tecnología evolucionaba en buena dirección, ya que entre otros aspectos aumentaba la eficiencia energética de los equipos. Estas membranas tenían un rechazo de sales superior al 98% y eran capaces de soportar presiones de hasta 60 bar (la presión de trabajo depende del contenido de sales y del grado de desalinización que se desea obtener). Aun así, el agua resultante (permeado) contenía una concentración de sales que se tenía que eliminar mediante membranas para agua salobre. De esta forma se incrementaban los costes de operación y el consumo energético. El siguiente paso fue el desarrollo de unas membranas capaces de rechazar el 99,2% de las sales de agua de mar, previo acondicionamiento del agua. Una planta desalinizadora mediante un proceso de ósmosis inversa consta de las siguientes etapas: •

Captación, que incluye el bombeo e impulsión hacia el equipo de ósmosis inversa. • Pretratamiento o acondicionamiento, para aumentar la eficiencia de la ósmosis inversa. • Proceso de ósmosis inversa. • Postratamiento, para conseguir las condiciones de potabilización requeridas. El pretratamiento del agua consiste en la adición de diversos reactivos, cada uno con una función específica: •

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Hipoclorito sódico, cloro gas u ozono: desinfección y eliminación de la materia orgánica y de la actividad biológica. Coagulante: eliminación de coloides. Hidróxido cálcico: precipitación de bicarbonatos. Ácido sulfúrico o ácido clorhídrico (dependiendo de la concentración de sulfatos

•

y cloruros del agua a tratar): control de pH. Polielectrolito: floculación. Dispersante: efecto antiincrustante de las sales poco solubles (CaSO4, BaSO4, SrSO4, CaF2). Bisulfito sódico: eliminación del cloro y el ozono residual.

Dependiendo del caudal total de agua a tratar, de sus características químicas y biológicas, y también del grado de desalinización requerido, la instalación será más o menos compleja. Pero es un requisito imprescindible que sea diseñada siempre de forma que el coste de inversión, operación y mantenimiento sea el más bajo posible. En el caso de la planta desalinizadora de El Prat de Llobregat, los beneficios de su implantación son los siguientes: •

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• • •

Se considera una nueva fuente de generación de un recurso escaso que depende del régimen pluviométrico. Permite reducir la vulnerabilidad de la garantía de suministro gracias a la generación de 180.000 m3 diarios de agua. Evitará el riesgo de decretos de sequía o excepcionalidad que dependen de la evolución de las condiciones climatológicas. Liberará caudales de captación de otras fuentes. Mantendrá los caudales ecológicos de los ríos. Gestión eficiente y racional de los recursos disponibles. Permitirá absorber los aumentos de demanda a causa de los crecimientos demográficos previstos. Más autonomía de gestión que si se tratase de un trasvase. Moderada eficiencia energética (3,5 kWh/m3). Situación geográfica junto a la zona de demanda de agua y sobre el acuífero.

También hay que tener en cuenta que la planta desaladora del Llobregat, además de proveer con 180.000 m3/día de agua potable a la red de distribución, reducirá la explotación de los acuíferos de la cuenca del Llobregat, lo que minimizará los efectos de intrusión marina. De cara al impacto energético vale la pena hacer unas anotaciones:


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Incluyendo la captación y la devolución al mar del concentrado a través de un emisario, ambas por bombas, el consumo eléctrico se estima en 4,5 kWh/m3. Teniendo en cuenta el caudal osmotizado, 7.500 m3/h, la energía eléctrica requerida será de 33,7 MWh, es decir, una potencia eléctrica instalada, al menos, de 35 MW.

COSTES ECONÓMICOS DE LA DESALINIZACIÓN La desalinización puede considerarse como un proceso que fabrica un producto final a partir de una materia prima, por lo que permite asimilarse a un proceso industrial. En este sentido, también puede efectuarse un estudio económico para determinar su viabilidad a gran escala. Actualmente se construyen módulos grandes, ya que al aumentar el tamaño de los equipos también incrementa su eficiencia energética. Los costes de inversión se han reducido a causa del abaratamiento de las membranas, además de ser cada vez de mayor calidad. Los avances en el ahorro económico de los procesos de desalinización se han basado en la reducción del consumo energético de los equipos o en el desarrollo de tecnologías energéticamente más eficientes. En el caso de la ósmosis inversa, cada aplicación concreta requiere una evaluación específica. En principio, la estructura de los costes del producto obtenido a partir de una planta de ósmosis inversa es: • •

Costes fijos: amortización y personal de planta. Costes variables: reactivos, energía eléctrica, mantenimiento y reparaciones.

Para la planta desalinizadora del Llobregat, con una capacidad de producción anual de agua de 60 hm3, el coste del agua producida se estima en 0,48 €/m3 (sin tener en cuenta la inversión), siendo el periodo de amortización de unos veinte años. El porcentaje de inversión en los costes variables de cada componente puede considerarse el siguiente: • • • • •

Membranas: 20-30%. Bombas: 15-20%. Tuberías y valvulería: 15-20%. Equipos eléctricos: 7-10%. Instrumentación: 3-5%.

• •

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Edificios: 10-15%. Captación e impulsión: 8-15%.

El coste asociado al personal de operación depende del tamaño de la planta y del grado de automatización de la instalación. Para reducir los costes se pueden prever las siguientes acciones: • • • •

Membranas más resistentes químicamente. Mayor eficiencia energética de los equipos. Incluir sistemas de recuperación de energía. Evitar pérdidas de energía.

Las plantas de ósmosis inversa tienen una vida operativa de unos veinte años, aunque muchas de ellas deben renovarse antes ya que muchos de los equipos quedan obsoletos. El coste de estas renovaciones queda compensado en la mayoría de las ocasiones por la mayor eficiencia energética de los nuevos equipos.

OTROS COSTES DE LA DESALINIZACIÓN En términos de sostenibilidad ambiental y económica, la desalinización no es un recurso de base. Debería ser contemplada como un recurso alternativo. Desde el punto de vista de consumo de energía, las dos terceras partes de los costes operativos lo constituyen, precisamente, la energía eléctrica. El recurso a la desalinización del agua de mar para el abastecimiento tiene muchas caras y no es fácil aplicar una solución maniquea. El Plan Nacional de Desalinización prevé la obtención de 1.000 hm3 en poco tiempo. Hay que ser conscientes que el suministro de energía eléctrica para la obtención del agua desalinizada va a provocar la misma emisión de gases de efecto invernadero que el conjunto de EDAR operativas en todo el territorio español. Finalmente hay que comentar que estas grandes infraestructuras, como la desalinizadora de Barcelona, son pagadas por la UE y los consumidores solo deben hacer frente a la explotación. En relación con otras infraestructuras son más baratas, por eso suelen ser las elegidas (y además no entran en litigio con otras regiones o comunidades). No obstante, el coste de explotación es elevado y el poder político no se atreve a subir el recibo del agua, con lo que, al final, la infraestructura se halla subutilizada.

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IMPACTOS MEDIOAMBIENTALES Para detallar los principales impactos medioambientales de las plantas desalinizadoras se puede hacer referencia al caso de la planta desalinizadora del Llobregat, cuyo diagrama de funcionamiento se muestra en la Figura 15.2. La planta desalinizadora del Llobregat está situada en la localidad del Prat de Llobregat (Barcelona), anexa a la planta depuradora de aguas residuales Depurbaix y muy cerca de la costa. Se capta directamente agua de mar y se desaliniza mediante un proceso de ósmosis inversa; el permeado (60 hm3/año) se incorporará a la línea de suministro existente, y el concentrado se devolverá al mar aprovechando el emisario de Depurbaix. Los diversos impactos asociados a la construcción y funcionamiento de una planta desalinizadora son: •

Contaminación atmosférica. Cabe destacar en primer lugar que la calidad del aire de la zona (en el caso de la desalinizadora del Llobregat) no es excesivamente bueno a causa de los polígonos industriales cercanos a la planta de generación eléctrica en ciclo combinado, y, en particular, del vertedero, ya clausurado, del Garraf. En el proceso de construcción serán evidentes las

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Figura 15.2. Funcionamiento básico de la planta desalinizadora del Llobregat.

emisiones de partículas, que desaparecerán lógicamente durante la fase de producción. Durante el funcionamiento de la planta no se producirán efectos negativos sobre la atmósfera, aunque el elevado consumo energético previsto sí generará emisiones nocivas allí donde se produzca la energía. Contaminación acústica. El ruido durante la construcción de la planta intensificará el habitual existente, afectando principalmente a la fauna y a la población cercana. Transformación del terreno. Dicha modificación está directamente causada por el paso de maquinaria pesada y por los movimientos de tierras durante la etapa de construcción de la instalación, generando alteración sobre el paisaje, riesgo de erosión y pérdida de suelo, afección sobre flora y fauna, riesgo de contaminación de los acuíferos, por lo que es necesario disponer de un plan de gestión del terreno retirado. Contaminación del agua. En el caso de Barcelona, el impacto general asociado al puerto de la ciudad es muy superior al que representará la desalinizadora. En la etapa de construcción de la planta existe riesgo de contaminación del agua a causa de la presencia de partículas sólidas y del vertido de aceites e hidrocarburos, como en la construcción de cualquier otra infraestructura importante, lo que puede afectar a la flora y fauna del lugar. Conviene destacar el vertido de las salmueras, provenientes del agua de rechazo del proceso de ósmosis inversa, que se realizará directamente al mar aprovechando los emisarios submarinos existentes de la planta depuradora de aguas residuales. Contaminación del suelo. El riesgo de contaminación del suelo principalmente puede tener lugar durante la construcción de la planta, lo que podría afectar a acuíferos, pérdida de suelo y de vegetación, afección a fauna, etc. Flora y fauna. Durante las obras se producirán afecciones sobre flora y fauna, al producir alteraciones directas sobre el hábitat natural y el ecosistema. Aplicando las medidas correctivas y preventivas adecuadas el impacto podría considerarse como moderado.


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Paisaje. El paisaje se ve alterado a causa de la introducción de estructuras durante las obras y, lógicamente, durante el funcionamiento de la planta desalinizadora. La minimización de la afección sobre el paisaje se puede conseguir con la restauración de los espacios afectados.

AVANCES EN DESALINIZACIÓN Un grupo de investigadores de la Universidad de Singapur y el TNO (Instituto de Ciencia y Tecnología) de Apeldoorn, Países Bajos, han desarrollado una nueva membrana basada en el concepto de destilación y micro capilaridad. La Figura 15.3 muestra la sección esquemática de la membrana. La tecnología usa un nuevo desarrollo de membrana hidrofóbica para separar el agua caliente del mar del destilado y combina un elevado transporte de vapor de agua con un alto ratio de evaporación dentro de la zona de calentamiento. Como se trata de un intercambiador, el sistema Memstill presenta una alta tasa de eficiencia energética (los últimos prototipos presentan una eficiencia del 90%). El sistema, como esquematiza la Figura 15.4, toma agua de mar a 20 ºC que se va

Figura 15.3. Sección de las membranas con el gradiente térmico.

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calentando gracias al vapor de agua que procede de la otra membrana. A su vez, el fluido caliente, el vapor de agua, condensa y se convierte en agua dulce. El agua de mar abandona la membrana a 75 ºC y es calentada externamente, ya sea por radiación solar o sistemas convencionales, hasta una temperatura de más de 80 ºC. El agua comienza a vaporizar y el vapor se transfiere a la otra membrana. La salmuera es expulsada a una temperatura semejante a la de entrada. El consumo total eléctrico es inferior a 1 kWh/ 3 m , cifra a la que hay que añadir el ligero consumo térmico. Es decir, un consumo muy inferior al de la ósmosis inversa, lo que hace que incluso, a escala de prototipo, el coste global (incluyendo la inversión) de desalinización se equipare al de la ósmosis inversa. Otra línea destacada de investigación es la derivada de la capilaridad y la microfluídica. La capilaridad es el ascenso de un fluido al atravesar un conducto estrecho, para ello hay que mantener una diferencia de presiones entre los extremos (la membrana es de teflón con una porosidad de 0,1 micras y son muy diferentes de las empleadas para

Figura 15.4. Principio de funcionamiento de la desalación Memstil.

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la ósmosis inversa). El objetivo de la planta de demostración, para 2010, es que las membranas tengan un rendimiento de 5 litros de agua destilada/ m2·h. En el mundo vegetal la separación soluto/disolvente se lleva a cabo con sistema micro- capilar (microfluídica). La savia ascendente, savia bruta, es agua absorbida con sales disueltas y demás nutrientes orgánicos. Lo destacable es su bajo consumo energético.

Basado en esta idea, el Lawrence Livermore Laboratory, ha desarrollado una membrana formada por nanotubos de carbono, de una o dos capas, para desalinizar agua. El nanotubo con una capa tiene un tamaño de poro muy pequeño que permite filtrar. Los nanotubos multipared tienen un poro de entre 5 y 10 nanómetros de diámetro, pero el tubo monopared tiene un poro de 1-2 nanómetros, es decir, la anchura de 6 moléculas de agua.

Coste del trasvase de agua Los trasvases de agua son una de las posibles soluciones adoptadas para paliar el déficit hídrico, aunque su implantación ha provocado no pocas disputas y controversias, en el ámbito político y social, por el uso del caudal desviado y las repercusiones ambientales generadas. El ejemplo más claro es el del Mar de Aral. En 1960 era el cuarto lago más grande del mundo, pero la construcción de canales para tomar una parte del caudal del río Amu Daria provocó que la aportación fluvial al Mar de Aral fuera disminuyendo drásticamente, causando literalmente la desecación de unos 30.000 km2 de terreno. En España son muy importantes los trasvases Tajo-Segura y Júcar-Turia, en funcionamiento desde hace más de 25 años, y que llevan agua hacia dos de las zonas españolas con mayor déficit de recursos hídricos. El problema en el suministro de agua en las zonas de Valencia y Murcia se solucionó en un inicio con la explotación de los acuíferos. El caudal así obtenido, aunque de calidad, resultaba insuficiente, por lo que para no paralizar el desarrollo económico de dichas zonas se optó por la alternativa que ofrecía agua desde las cuencas hidrológicas próximas. Así, se produjeron los trasvases desde el Tajo al Segura y del Júcar al Turia. La zona de influencia del trasvase del Tajo comprende una superficie de casi 75.000 hectáreas, repartidas entre Murcia, Alicante y Almería. La necesidad hídrica es de 439 hm3/año y el suministro anual a través del trasvase de 300 hm3. Para dar solución a la cíclica sequía que amenaza el Área Metropolitana de Barcelona, una po-

sible solución que se ha llevado a debate ha sido el trasvase del Ródano, una obra que podría necesitar hasta siete años de ejecución. Los defensores de esta propuesta argumentan que el río Ródano dispone de un caudal suficiente para garantizar el suministro en un trasvase, teniendo en cuenta que la desembocadura del Ródano registra un volumen de 1.700 m3/s y se propone captar un máximo de 20 m3/s. El trasvase se realizaría con acueductos enterrados, para minimizar el impacto ambiental, hasta la planta potabilizadora de Cardedeu (Barcelona). Este trasvase garantizaría un suministro seguro y constante de agua, pudiendo afrontar los aumentos demográficos previstos para las próximas décadas. Lógicamente, la opción del trasvase del Ródano se contemplaría como complementaria a las plantas desalinizadoras actualmente en funcionamiento, y evitaría la sobreexplotación de los acuíferos subterráneos. El trasvase del Ródano presenta muchas incertidumbres en el ámbito político, ya que un plazo de ejecución de siete años es muy elevado, y el coste económico global también es alto, estando en desventaja respecto a la desalinización. Existen otras medidas más factibles: reutilización, recuperación de acuíferos y restricciones en el suministro, aunque no todas ellas son igualmente aceptadas. Barcelona es una de las ciudades del mundo con menor consumo de agua per cápita, por lo que se hace difícil restringir el suministro a la población y a las industrias. En la Tabla 15.2 se compara el consumo de agua en diferentes ciudades del mundo.

El problema del agua desde el punto de vista de la energía. Costes de desalinización y trasvases Tabla 15.2. Consumo de agua en distintas ciudades del mundo. (Fuente: ACA). Ciudad Pekín Nueva York Tokio La Habana París El Cairo Barcelona Dakar Media de España

Consumo (litros por persona y día) 666 503 320 270 162 152 110 54 157

Otra alternativa al trasvase del Ródano hacia el Área Metropolitana de Barcelona es el trasvase del Ebro, que aglutina no pocos detractores. En este sentido, y para presentar la situación geográfica, conviene definir las dos partes en las que se divide el territorio catalán y mostrar las características de cada una de ellas, lo que se detalla en la Tabla 15.3.

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La visión tradicional sobre los usos del agua pontifica que el suministro de agua a la agricultura, precisa de grandes obras públicas con una escasa contrapartida en ingresos. En términos económicos, en 2004 y el caso de Cataluña, el sector supuso una aportación del 1,4% al PIB y un 2,4% de la ocupación. En contrapartida, en la industria las inversiones son privadas. A pesar de que el sector primario consumió la mayoría del agua y a un precio muy inferior al industrial, el sector es imprescindible. La solución pasa por una “industrialización del campo”, sobre todo en la modernización del regadío. Un suceso digno de estudio sería la aplicación del agua del Ebro, en su desembocadura, para su empleo al cultivo del arroz.

Tabla 15.3. Características de las cuencas hidrológicas de Cataluña. (Fuente: ACA). Características Área (km2) Población Consumo de agua

Área Cuenca del Ebro Cuencas internas 15.567 16.423 8% 92% 62% 38%

La diferencia principal entre ambas cuencas es que en el caso de la cuenca del Ebro el 93% del agua se destina a regadío, mientras que en las cuencas internas un 43% se emplea en actividades domésticas. La Figura 15.5 muestra los usos del agua en la cuenca del Ebro de Cataluña, mientras que la Figura 15.6 detalla el uso del agua en las cuencas internas.

Figura 15.5. Usos del agua en la Cuenca del Ebro. (Fuente: ACA).

Figura 15.6. Usos del agua en las cuencas internas. (Fuente: ACA).

De hecho, en Cataluña existen desde hace años dos trasvases que han venido a paliar la falta de calidad y cantidad de agua de las zonas receptoras. Por una parte, el trasvase del Ter, que provee de agua a Barcelona, compensando el déficit hídrico del Área Metropolitana; y por otro lado, el minitrasvase del Ebro, que proporciona agua a Tarragona y a las poblaciones adyacentes. La realidad es que en Cataluña en el año 2009, y de acuerdo al desarrollo de dichas infraestructuras, se dispondrá de 180 hm3 adicionales al año: 90 hm3 de la desalinización, 35 hm3 de la reutilización del agua depurada, 35 hm3 de la mejora en la eficiencia de las redes de suministro y 20 hm3 proveniente de los acuíferos. Muchos expertos creen que los trasvases deberían ser opciones complementarias y no excluyentes para solucionar el déficit hídrico. Con el fin de establecer unas cifras comparables en los apartados siguientes se aportan los datos principales de las tres opciones:

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EL TRASVASE RÓDANO-BARCELONA En este proyecto se baraja la posibilidad de hacer llegar la tubería hasta Tortosa y, si se estima conveniente, prolongar el trasvase hacia el sur. Los datos más sobresalientes del proyecto son: •

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•

•

Caudal a trasvasar: 160 hm3/año, equivalentes a 5,1 m3/s. (Caudal medio del río: 1.700 m3/s. Caudal mínimo: 400 m3/s). Trazado francés: Montpellier-frontera 192 km, con una tubería de 2,5 m de diámetro. Desnivel de 150 m más 68 de pérdidas de carga. Consumo eléctrico 0,8 kWh/m3. Trazado español: frontera-Cardedeu 120 km, con una tubería de 2,5 m de diámetro. Desnivel máximo de 7 m de elevación y 50 de desnivel más 43 de pérdidas de carga. Consumo eléctrico nulo. Coste total de la inversión: 960 M€. Coste de amortización con una tasa del 4% estimado de 0,2047 €/m3 y un coste de explotación de 0,062 €/m3, suponen un total de 0,3027 €/m3.

a detraer será más modesto. Los datos más sobresalientes del proyecto son: • • •

•

LA DESALINIZADORA EN BARCELONA El Plan de Desalinizadoras del Gobierno de la Generalitat de Cataluña anuncia unos costes de inversión de 4 M€/hm3 y año y un consumo energético de 4 kWh/m3. Aplicando estos criterios, las cifras resultantes son: •

EL TRASVASE EBRO-BARCELONA

•

Este río dispone de unas aportaciones medias de 17.000 hm3/año con oscilaciones que van desde 8.000 €/m3 hasta 30.000 €/m3. El Plan Hidrológico de la Cuenca del Ebro evalúa las demandas de la propia cuenca en 6.700 €/m3 para regadíos, 400 €/ m3 para usos industriales y urbanos y 2.770 €/m3 para mantener un caudal ecológico en la desembocadura. Por tanto es obvio que el hipotético caudal

Caudal a trasvasar 47 hm3/año, equivalentes a 1,5 m3/s. Caudal natural 550 m3/s. Caudal actual 250/300 m3/s. Trazado Amposta-Abrera 160 km. Punto mas elevado del recorrido 200 m. Tubería de 1,6 m de diámetro. Consumo de energía eléctrica 0,85 kWh/m3. Coste total de la inversión 500 M€. Coste de amortización con una tasa del 4% estimado 0,125 €/m3 y un coste de explotación de 0,066 €/m3, suponen un total de 0,19 €/m3.

Caudal: 60 hm3/año, equivalentes a 1,7 m3/s (en 2012 se prevé 200 hm3/año). Coste total de la inversión: 640 M€. Coste de amortización con una tasa del 4% estimado: 0,16 €/m3 y un coste de explotación de 0,312 €/m3, suponen un total de 0,472 €/m3.

La Tabla 15.4 compara los trasvases del Ródano y del Ebro con la planta desalinizadora del Llobregat. En todos los casos es importante constatar el impacto energético que representa el suministro de agua.

Tabla 15.4. Comparación entre los trasvases del Ródano y el Ebro, y la desaladora del Llobregat. (Fuente: EIC).

Producción (hm3/año) 3

Consumo de energía (kWh/m ) 3

Coste total (€/m ) Coste de inversión (€)

Trasvase del Ebro

Desaladora Llobregat

160

47

60

0,80

0,85

4,0

0,30

0,19

0,47

960.000.000

500.000.000

640.000.000

La gestión del regadío El sector agrario, con una utilización estabilizada del 63,3% del total, para una superficie de 3,3 millones de hectáreas, presenta una productivi-

dad seis veces superior a la del cultivo en secano. Pero precisa un análisis más amplio que abarque la perspectiva económica, social y medioambiental,

195


partiendo del uso de los recursos hídricos disponibles. La política del agua en los regadíos españoles propuso en 2004, en el Plan Nacional de Regadíos (PNR), una inversión ejecutada de 2.039 millones de euros, lo que supone un 142% de la programada, habiéndose actuado sobre 666.000 hectáreas. También se ha planteado el balance de ejecución del Plan Nacional de Regadíos, Horizonte 2008, y del Plan de Choque 2007/2008 de medidas urgentes para la modernización y mejora de los regadíos, puesto en marcha en marzo de 2006. En el aspecto social hay que señalar su repercusión en la creación de empleo y el mantenimiento de las rentas, favoreciendo, con la aplicación de las nuevas tecnologías a la gestión del agua, una mayor calificación en el trabajo y la incorporación de los regantes a la sociedad de la información. También hay que realzar su incidencia en la vertebración del territorio, la reducción de los procesos de despoblamiento y la mejora de la calidad de vida en el medio rural. Desde el punto de vista medioambiental hay que resaltar la importancia del regadío en el mantenimiento de determinados ecosistemas, como la Albufera de Valencia o el Delta del Ebro, en la restauración hidrológico-forestal, o en la lucha contra la erosión y la desertización. Mediante los proyectos incluidos en el Plan de Choque 2006/2007 de medidas urgentes para la modernización de los regadíos, se ha actuado sobre una superficie de 253.000 hectáreas, llevando a cabo obras que han contemplado la reparación de elementos dañados, la sustitución de los obsoletos, la racionalización del trazado de las redes y el cambio de sistemas de aplicación del agua por otros de mayor eficiencia. Con ello se ha beneficiado a 113.555 usuarios, con un ahorro anual de agua estimado en 503 hectómetros cúbicos anuales. Como resultado de las actuaciones desarrolladas mediante el PNR y el Plan de Choque, se ha constatado una evolución de los sistemas de riego hacia un mayor ahorro hídrico, con una clara tendencia, desde 2004, al incremento del riego localizado, más moderno y eficaz, frente al descenso del riego por gravedad, consistente en el aprovechamiento de los desniveles del terreno para posibilitar el curso del agua.

De las dos fuentes de recursos hídricos utilizadas por el regadío, las convencionales, tanto superficiales como subterráneas, y las aguas regeneradas, hay que destacar la importancia de estas últimas como recurso alternativo y complementario, que permite garantizar el suministro continuado de agua mientras que, en el aspecto medioambiental, supone la mejora alternativa para reintroducir las aguas depuradas a un ciclo natural y para disminuir la presión sobre los recursos más convencionales. La Tabla 15.5 muestra, según el Instituto Nacional de Estadística, los usos del agua en España en 2007. Tabla 15.5. Usos del agua en España en 2007. hm3

%

2.544

12,72%

Industria, servicios, ganadería

852

4,26%

Consumos municipales y otros

388

1,94%

Agricultura

16.211

81,07%

TOTAL

19.995

100,00%

Sector Hogares

Con respecto a 2006, las tres primeras partidas supusieron una disminución del 3,6%. En cambio, las fugas y pérdidas se estiman en 790 hm3.

PLAN DE REGADÍOS SOSTENIBLE HORIZONTE 2013 El Plan Horizonte 2013 contiene los ejes principales que regirán la futura gestión del agua en los regadíos españoles. Sus objetivos medioambientales se centrarán en el ahorro de agua, la utilización de fuentes alternativas como las aguas desaladas y las de depuración terciaria de aguas urbanas, la mejora del paisaje, la flora y la fauna de las zonas regables con creación de setos vivos o zonas de lagunaje, así como la utilización de guías de buenas prácticas agrarias orientadas a la conservación de la calidad de aguas y suelos y evitar la contaminación difusa. En el aspecto social, el futuro Plan de Regadíos Sostenible potenciará la fijación de la población, así como la intensificación de la formación de los regantes en las nuevas tecnologías, reforzando, en la vertiente económica, la capacidad de los agricultores para hacer frente a las fluctuaciones de los

196


mercados, promoviendo, por otra parte, las producciones compatibles con la PAC (Política Agraria Común).

AVANCES SOBRE LA EVAPORACIÓN DEL AGUA EN LAS PLANTAS Científicos de Finlandia y Estados Unidos aseguran haber dado un paso fundamental para desarrollar algún día cultivos capaces de sobrevivir durante largos periodos de sequía. Estos expertos dicen que han descubierto un gen que controla la cantidad de dióxido de carbono que absorben las plantas y el vapor de agua que estas liberan a la atmósfera. Las plantas desempeñan un papel clave en la regulación de la atmósfera, al absorber CO2 a través de unos poros minúsculos de sus hojas llama-

dos estomas, que también liberan vapor de agua cuando la planta crece. En climas extremadamente secos, una planta puede perder el 95% de su agua. El gen que controla las respuestas de los estomas ha sido un misterio hasta ahora. Este grupo de investigadores afirma que ha encontrado el gen que regula la apertura y cierre de esos poros. Este hallazgo, dicen, podría permitirles modificar las plantas de tal forma que continúen absorbiendo CO2 pero, al mismo tiempo, reduzcan la cantidad de agua liberada a la atmósfera, permitiendo que puedan crecer en condiciones muy secas. Aunque los experimentos se hicieron con una variedad de berros, los científicos dicen que los mecanismos genéticos subyacentes son los mismos que en muchas plantas alimenticias, como la del arroz, que requiere abundante agua (y una cadencia de riego muy especial).

# Para evitar situaciones de emergencia en las que no se pueda contar con recursos propios para garantizar el suministro de agua a la población, es necesario adoptar una serie de medidas que permitan hacer frente a periodos críticos: • Aplicar una correcta política del agua: planificación hidrológica a largo plazo, disponer de planes de gestión óptimos en caso de periodos de sequía y establecer planes de emergencia. • Aprovechamiento de los recursos convencionales y no convencionales. • Gestión integral de las aguas superficiales y subterráneas: evitar intrusión marina y salinización de los acuíferos. • Proponer un desarrollo urbanístico paralelo a la disponibilidad del agua. • Mejora en la eficiencia de las actividades agrícolas: aplicación de nuevas técnicas que minimicen el consumo de agua. • Disminución del empleo de pesticidas y fertilizantes. • Desarrollo de nuevas técnicas que aumenten la eficacia de los equipos empleados en el tratamiento de agua. • Aplicar medidas para la reutilización del agua.

•

Evitar las pérdidas de agua en las líneas de distribución.

El problema de las pérdidas de agua en las etapas de transporte y almacenamiento es un punto en que las entidades que gestionan el suministro de agua deberían aplicarse concienzudamente (En casi todas las comunidades la lectura del contador general de la compañía de aguas en relación a la suma de los consumos unitarios jamás cuadra debido al error de lectura de los contadores pequeños domésticos. Este descuadre se estima en un 18%). Esta cifra debería ser descontada de los valores que siguen. En Cataluña se pierde (no fuga) aproximadamente el 20,5% del agua, aunque queda lejos del 70% del caudal perdido en Ceuta y Melilla. Un agujero de un centímetro en una tubería de distribución supone perder unos 50.000 litros diarios de agua. En la Tabla 15.6 se muestra el porcentaje de agua perdida en la red de distribución en España en el año 2005. El rendimiento de la red de distribución de agua se expresa como: el Volumen de agua facturada por 100/Volumen de agua en la salida del depósito regulador que alimenta la red de distribución. En las redes bien conservadas el rendimiento es del orden del 80 %. Las causas implicadas en el rendimiento de la red son:

El problema del agua desde el punto de vista de la energía. Costes de desalinización y trasvases Tabla 15.6. Pérdidas de agua en las líneas de distribu-

•

ción en España en 2005. (Fuente: INE). Comunidad ;:

Pérdida (%)

Ceuta y Melilla

70,1

Comunidad Valenciana

32,0

Aragón

31,0

Extremadura

29,2

Cantabria

25,6

Islas Baleares

25,2

Islas Canarias

24,8

Castilla y león

24,1

Andalucía

21,7

Cataluña

20,4

Galicia

20,2

La Rioja

19,5

Navarra

16,9

Castilla-La Mancha

16,0

Comunidad de Madrid

14,9

País Vasco

14,1

Región de Murcia

14,0

Principado de Asturias

14,0

•

•

El tipo de urbanismo condiciona el rendimiento, ya que cuando domina la construcción vertical esta cifra tiende a aumentar y cuando domina la vivienda unifamiliar el rendimiento disminuye puesto que aumenta la longitud de la red. Diferencia de sensibilidad en los contadores grandes ya que estos funcionan mucho más continuamente en comparación con los pequeños que no registran los caudales más pequeños y goteos de los grifos. Es importante que el diámetro del contador esté ajustado con el caudal que pasa por el mismo.

•

•

• •

197

Los contadores pequeños especialmente si son viejos y con aguas incrustantes generan subcontajes sistemáticos. Cuando se avería un contador deja de contar el agua y generalmente lo hace de forma progresiva, no de forma súbita, circunstancia que dificulta su localización. Los contadores deben cambiarse periódicamente y ponerlos nuevos, ello supone un importante esfuerzo económico, que a veces no se justifica con el precio del agua que deja de cobrarse. Los contadores más modernos son cada vez más sensibles a los flujos de agua y también más indiferentes a la calidad del agua, por los nuevos materiales. En algunos casos en los edificios que dependen del municipio (Ayuntamiento, Escuelas, Parques y jardines, Polideportivos, etc.) no se paga el agua, incluso ni tan sólo pueden haber contadores. Conexiones clandestinas. Fugas en la red.

En general las pérdidas tienen lugar en las conducciones para riegos agrícolas.

EL CONSUMO DE AGUA Los episodios de fuerte sequía de 2007/2008 en Cataluña condujeron a una concienciación de la ciudadanía a la vez que se registraron tasas de descenso en el consumo importantes. Así, en los 33 municipios del Área Metropolitana de Barcelona el consumo de agua descendió un 1,9% en el ámbito doméstico y un 5,6% en el sector industrial. La dotación doméstica pasó de 121,1 litros/ persona y día en 2005 a 109,9 en 2008. Si bien la situación de crisis económica ha colaborado en la reducción, la verdad es que Barcelona se consolida como una de las zonas del mundo que gasta menos agua doméstica per capita. La relación entre cantidad de agua disponible, educación ambiental y tarifa de suministro es una ecuación difícil de cuadrar porque tiene muchas circunstancias específicas y también interferencia de índole política. Para darse cuenta basta con repasar las cifras que aporta la Tabla 15.7.

198


Tabla 15.7. Tarifa del suministro de agua en 2007. Cía. suministradora

€/m3

A Coruña

Emalcsa

0,611

Alicante

Aguas Municipalizadas

2,210

Almería

Aqualia

1,214

Aguas de Barcelona

1,224

Consorcio de Aguas de Bilbao

0,897

Aquagest

1,129

Gijón

Emma

0,700

Jaén

Aqualia

0,862

Madrid

Canal Isabel II

1,130

Murcia

Emusa

1,683

Palma de Mallorca

Emaya

1,393

Santa Cruz Tenerife

Emmasa

1,493

Semas

0,611

Sevilla

Emasesa

1,333

Valencia

Emivasa

1,200

Zaragoza

Aguas de Zaragoza

0,929

Ciudad

Barcelona Bilbao Ciudad Real

Santander

MEDIA

En primer lugar, cabe destacar que la tarifa en aquellas ciudades próximas a la vertiente atlántica del norte de España, el precio de venta es claramente inferior a la media nacional. Sin embargo, la abundancia de lluvias proporciona la materia prima pero el agua, una vez captada, también debe potabilizarse, conducirse y depurarse.

1,092

El segundo comentario está relacionado, una vez más, con la pregunta ¿qué paga realmente la tarifa del agua? Si la media nacional supera ligeramente 1 €/m3, mientras en Francia, país con mucha mayor disponibilidad de agua, supera los 2,2 €/m3, cabe preguntarse qué servicios se ofrecen con el agua pero realmente ocasionan un gasto muy superior al que aparece en la factura.

Medidas para el ahorro doméstico de agua Como se ha expuesto con anterioridad, el agua es fundamental para la vida, por lo que resulta conveniente hacer todo lo posible para el ahorro en cualquier ámbito. Por ejemplo, en los diversos usos que se hacen el hogar. En la Tabla 15.8 se muestra el consumo de agua en las actividades domésticas habituales.

Por esta razón se proponen una serie de recomendaciones que promueven el ahorro de agua, aunque sea en el ámbito doméstico y parezca que su contribución al ahorro total no sea significativo: • •

Cerrar los grifos cuando no se utilizan. No emplear el inodoro como papelera.


• • • • •

Ducharse en lugar de bañarse. Reparar grifos que pierden agua. Utilizar la lavadora y el lavavajillas completamente cargados. Emplear economizadores en los grifos. Instalar cisternas con doble descarga.

•

•

199

Lavar el coche en lugares autorizados o emplear cubo y esponja en lugar de manguera. Para evitar la evaporación, regar el jardín por la mañana o al atardecer.

Tabla 15.8. Consumo doméstico de agua. (Fuente: ACA). Actividad

Consumo (litros)

Lavarse las manos

2-10

Lavarse los dientes

2-12

Llenar la bañera

200-300

Ducharse

30-80

Lavadora

60-90

Lavavajillas

20-30

Lavar los platos a mano

15-30

Vaciar la cisterna del inodoro

6-10

Cocinar y beber

8-12

Limpieza de la casa

10

Limpiar el coche

400

Regar 100 m2 de jardín

400

Consecuencias de la escasez de agua Expertos científicos consideran que la escasez de agua tendrá un efecto global, con consecuencias en algunos casos irreversibles. Si no se aplican medidas correctoras a corto y medio plazo, los efectos, detallados por zonas mundiales, serán los siguientes: • África. Hacia finales del primer cuarto del siglo XXI, más de 200 millones de personas se podrán ver expuestas a los efectos de la sequía, y en algunos países los cultivos se reducirán un 50%, dificultando el acceso a la comida. Hacia finales del siglo XXI subirá el nivel del mar, afectando a zonas costeras pobladas. Posiblemente también aumentará en un 10% el fenómeno de la desertización. • Asia. Hacia mediados del siglo XXI se reducirá a la mitad la disponibilidad de agua

•

•

en la zona del sudeste asiático. En cambio, las zonas costeras sufrirán riesgos de inundaciones. Australia y Nueva Zelanda. Se prevé en los próximos veinte años una pérdida significativa de la biodiversidad, y un aumento de la salubridad del agua. También aumentará el riesgo de incendios. Europa. Se producirán muchas diferencias entre las zonas del norte y las meridionales, pudiendo incrementarse el riesgo de inundaciones en los países del sur de Europa. En estas zonas meridionales se prevén altas temperaturas y periodos de sequía. Se reducirá el acceso de agua, lo que provocará una disminución de la actividad turística.

200 •

•


América del Sur. Hacia la mitad del siglo XXI aumentarán las zonas desiertas en la parte este del Amazonas, perdiendo infinidad de especies tropicales. Igualmente descenderá la actividad agrícola. Norteamérica. Se prevén inundaciones y cambios en los caudales de los ríos. Ade-

•

más, el efecto de la sequía afectará a la producción agrícola. Regiones polares. La principal consecuencia es la reducción del espesor de la capa de hielo, aumentando el nivel del mar y variando los ecosistemas, haciéndolos más vulnerables.

Territorio y población. Residuos y efecto invernadero

16

EL INCREMENTO DE RENTA PER CÁPITA SE TRADUCE EN UN AUMENTO EN LA GENERACIÓN DE RESIDUOS. • • • • •

•

• •

•

•

•

La concentración de la población supone la creación de grandes infraestructuras de transporte o generación de energía poco sostenibles. La política de desarrollo actual no incentiva el transporte público, lo que propicia un mayor consumo energético. En España las mayores densidades de población se hallan en el centro (Madrid) y en el eje Mediterráneo. Ello supone una gran producción de residuos en las áreas más habitadas. Las áreas más pobladas también son las más visitadas por el turismo, lo que agrava los problemas estacionales de producción de residuos y tratamiento de aguas residuales. En zonas costeras y turísticas, las variaciones de habitantes son muy dispares según la zona; desde incrementos del 20% al 300% en determinadas fechas, aunque puede establecerse una media del 50 % durante los tres meses estivales. En las grandes zonas de población, igual que acontece en Europa, el incremento en la generación de residuos ha sido muy importante. En España el fenómeno se ha acentuado debido a la bonanza económica y ha crecido más que el PIB. La incineración con generación de energía deviene como el método más adecuado de tratamiento de residuos en masa. Debido al incremento vegetativo de la población y al incremento de la renta per cápita, se estima que, en 2030, lo generación de residuos sólidos urbanos habrá crecido un 35%. La incineración con generación de energía deviene como el método más adecuado de tratamiento de residuos en masa. En los países más avanzados, ambientalmente hablando, se ha demostrado que los que más recogida selectiva obtienen también son los que más incineran. El desplazamiento de la población rural hacia las grandes ciudades no hace más que agravar el problema de los residuos. La relación entre la generación de residuos y el PIB es muy clara. El vertedero, como medio alternativo de tratamiento de residuos, adolece de graves problemas e impactos ambientales, en particular debido al biogás generado. Los vertederos diseñados con captación de biogás solo recogen el 50% del mismo. Existe una correlación directa entre la materia fermentable y su transformación en metano, que es lo que origina el gas de vertedero.

202 •

• •

•

•


Las grandes áreas metropolitanas y los residuos (en España, en 2006, el 57% se depositaban en vertederos) crean una sinergia donde se potencian la contaminación y el efecto invernadero. Es muy preocupante la creciente emisión de metano procedente de los vertederos. El urbanismo vertical no favorece en nada la correcta gestión de los residuos. El biogás producido por una ciudad de 1.000.000 de habitantes que use el vertedero como sistema de tratamiento de sus RSU, equivale al efecto invernadero que producirán 70.000 coches en la ciudad. En 1990, año base para el Protocolo de Kyoto, se emitieron en España un total de 28 millones de toneladas de metano en unidades de CO2 equivalente, mientras que en 2007 se llegó a 37,5 millones de toneladas en unidades de CO2 equivalente, con un aumento del 33,7%. Los residuos representan el 2,9% del total de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) equivalente, con un aumento del 74% respecto al año base. Las emisiones de metano son las más importantes.

Introducción Como resultado de las diferentes actividades productivas que desarrollan las sociedades se generan inevitablemente una serie de desechos sólidos, líquidos o gaseosos que suelen tener efectos negativos sobre el ambiente y la salud humana. De entre ellos, los residuos sólidos urbanos son importantes porque pueden tener efectos tóxicos considerables y frecuentemente se depositan en lugares donde la población humana puede estar expuesta: calles, orillas de caminos, barrancos, acuíferos, etc. La cantidad y tipo de desechos que se generan depende, entre otras cosas, del grado de desarrollo industrial y de servicios que tiene el país o región, así como de las mismas pautas de consumo de la sociedad. En España, durante 2007, las emisiones de gases de invernadero aumentaron un 28% respecto al año 1997 y un 1,8% respecto al año 2006. El Protocolo de Kyoto implica que el promedio de las emisiones de gases de invernadero en el periodo 2008-2012 no puede superar en más de un 15% las del año base 1990. Después del aumento experimentado en 2007, las emisiones ya representan un incremento del 52,3% respecto a las de 1990. Las emisiones del año base eran de 289,9 millones de toneladas de CO2 equivalentes y las emisiones en el año anterior (2006) fueron de 433,3 millones de toneladas de CO2 equivalente. En 2007 fueron de 441,4 millones de toneladas. El incumplimiento del Protocolo de Kyoto puede costar cerca de 4.000 millones de euros a lo largo

de los próximos cinco años si no se adoptan medidas nuevas y adicionales de importancia o se agrava la recesión provocada por la crisis del sector de la construcción, que actuó como locomotora de la economía española a lo largo de la última década. El consumo de energía primaria aumentó en 2007 un 1,8%, aunque el consumo de carbón creció un 8,8% y el de gas natural un 4,3%, mientras que el consumo de petróleo, a causa del aumento de los precios, apenas creció un 0,7%. España es el país industrializado donde más han aumentado las emisiones. Con este escenario es muy difícil cumplir el Protocolo de Kyoto en un sentido estricto, el principal acuerdo para proteger el medio ambiente y el clima, por lo que habrá que comprar el derecho a contaminar de otros países. Las emisiones de dióxido de carbono (CO2) en España en 2007 representaron el 83,5% de las emisiones brutas de gases de invernadero, sin incluir los sumideros. El 93% de las emisiones se debe al consumo de combustibles fósiles en centrales térmicas, vehículos, industrias, comercios y viviendas. En 1990, año base, se emitieron en España un total de 28 millones de toneladas de metano medido en unidades de CO2 equivalente, mientras que en 2007 se llegó a 37,5 millones de toneladas en unidades de CO2 equivalente, con un aumento del 33,7%. El metano representó, en 2007, el 8,5% de las emisiones brutas de gases de invernadero, en dióxido de carbono equivalente sin incluir los

Territorio y población. Resíduos y efecto invernadero

sumideros. La emisión de metano se debe a la fermentación entérica (36% del total), la gestión del estiércol (26%), los vertederos (22%), la minería del carbón (2,5%), emisiones fugitivas del petróleo y el gas natural (1,7%) y las aguas residuales (5,9%). Los cultivos de arroz emiten cantidades muy pequeñas (0,8%). El potencial de calentamiento de una molécula de metano (CH4) equivale a 21 moléculas de CO2 equivalente, según el IPCC de 1995, que es el benceno empleado por los países que ratificaron el Protocolo de Kyoto. Por sectores, las emisiones totales en dióxido de carbono (CO2) equivalente en España entre 1990 y 2007 han sido las siguientes: •

Producción de energía: es el mayor responsable del conjunto de las emisiones y en 2007 representó el 78,7% del total, con un aumento del 63,4% respecto a 1990. Las mayores emisiones se deben a la generación de electricidad y al transporte por carretera. El resto corresponde a las diez refinerías de petróleo, consumos energéticos de la industria, transporte aéreo interior (no incluye el transporte aéreo con otros países), usos residenciales (6%, sobre todo calefacción y agua caliente sanitaria) y servicios (2,8%). Las emisiones de la generación de electricidad crecieron un 66% entre 1990 y 2007, representando el 24,3% del total en 2007, a pesar de que en el sector eléctrico es donde hay más posibilidades de reducir las emisiones y a un menor coste. Tampoco se ha utilizado el mecanismo de subasta y se han concedido los derechos de emisión gratis, restando eficacia al empleo de los mecanismos de mercado para reducir las emisiones.

•

•

203

En el transporte por carretera las emisiones están desbocadas, pues se han duplicado desde 1990 (crecieron un 97% entre 1990 y 2007). Sigue siendo mayoritariamente utilizado el automóvil privado en el transporte urbano e interurbano y el camión en el transporte de mercancías. A este respecto llama la atención que el Gobierno y algunas administraciones autonómicas están favoreciendo la construcción de autovías en detrimento del transporte público, básicamente el ferrocarril. Los procesos industriales distintos a la combustión, como la producción de cemento, industria química y metalúrgica, representaron en 2007 el 8%, con un aumento del 33% respecto al año base de 1990, inferior a la media. Los disolventes y otros productos solo representan el 0,3% del total, y han aumentado un 9% respecto al año base. La agricultura y la ganadería representan el 10,6% del total de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) equivalente, con un aumento del 14% respecto al año base, muy inferior al de los otros sectores emisores. Los residuos representan el 2,9% del total de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) equivalente, con un aumento del 74% respecto al año base. Las emisiones de metano son las más importantes.

Es difícil calcular las emisiones o los residuos atribuidos directamente al ciudadano. No obstante, una detenida lectura de los tres apartados anteriores pone en evidencia que el hombre está detrás de todos ellos, ya sea de forma directa (RSU) o indirecta (residuos industriales, ganaderos y mineros).

La densidad de población en España y su distribución La Figura 16.1 muestra gráficamente la distribución de la población española en el año 2007 según los datos del censo llevado a cabo ese año. La Figura 16.2 muestra, sobre el mapa de España, las áreas metropolitanas más importantes con datos del año 2005 y considerando las poblaciones con más de 300.000 habitantes.

El mapa pone de manifiesto que, a excepción de Madrid, la población española vive preferentemente en la periferia, en especial en la costa mediterránea. En la Tabla 16.1 presenta un listado por provincias en el que se detalla la población total y la densidad poblacional de cada una, así como el porcentaje que representa del total español.

204


Como ya se ha citado en esta Parte II, la afluencia de población hacia la costa y el “buen tiempo” ha sido una constante en los últimos años en España. Así, en las elecciones de 2008, Alicante, Almería y Murcia eligieron un diputado más en el Congreso de los Diputados, debido a que las tres

provincias tienen un elevado índice de población extranjera de entre un 14% (Murcia) y un 21,4% en Alicante. En cambio, en las circunscripciones que les ceden diputados A Coruña, Córdoba y Vizcaya, apenas hay inmigración que representa entre el 2% y el 4% del padrón.

Figura 16.1. Distribución de la población española para el año 2007.

Figura 16.2. Principales áreas metropolitanas, año 2005.

205

Territorio y población. Resíduos y efecto invernadero Tabla 16.1. Distribución de la población por provincias (datos de 2005). Lugar

Nombre

Porcentaje de España

Densidad (hab./km²)

1º

Madrid

6.081.689

13,45%

758,10

2º

Barcelona

5.332.513

11,80%

690,00

3º

Valencia

2.486.483

5,50%

230,10

4º

Sevilla

1.849.268

4,09%

131,80

5º

Alicante

1.825.264

4,04%

313,80

6º

Málaga

1.517.523

3,36%

207,70

7º

Murcia

1.400.117

3,08%

123,10

8º

Cádiz

1.207.343

2,67%

162,40

9º

Vizcaya

1.141.457

2,53%

514,90

10º

La Coruña

1.132.792

2,51%

142,50

11º

Asturias

1.074.862

2,38%

101,40

12º

Las Palmas

1.042.131

2,31%

256,30

13º

Islas Baleares

1.030.650

2,28%

206,50

14º

Santa Cruz

983.820

2,18%

291,00

15º

Pontevedra

947.639

2,10%

210,80

16º

Zaragoza

932.502

2,06%

54,00

17º

Granada

884.099

1,96%

69,90

18º

Córdoba

792.182

1,75%

57,50

19º

Tarragona

757.795

1,68%

120,20

20º

Gerona

706.185

1,56%

119,50

21º

Guipúzcoa

694.944

1,54%

364,00

22º

Badajoz

678.459

1,50%

31,20

23º

Jaén

664.742

1,47%

49,30

24º

Almería

646.633

1,43%

73,70

25º

Toledo

639.621

1,42%

41,60

26º

Navarra

605.876

1,34%

61,80

27º

Castellón

573.282

1,27%

86,40

28º

Cantabria

572.824

1,27%

109,00

29º

Valladolid

521.661

1,15%

64,30

30º

Ciudad Real

510.122

1,13%

26,10

31º

Huelva

497.671

1,10%

49,10

32º

León

497.387

1,10%

31,90

33º

Lérida

414.015

0,92%

34,10

34º

Cáceres

411.531

0,91%

20,70

35º

Albacete

392.110

0,87%

26,30

36º

Burgos

365.972

0,81%

26,10

37º

Lugo

355.176

0,79%

36,00

38º

Salamanca

351.326

0,78%

28,40

39º

Orense

336.926

0,75%

46,30

40º

La Rioja

308.968

0,68%

61,40

41º

Álava

305.459

0,68%

103,10

42º

Guadalajara

224.076

0,50%

18,40 (Continúa)

206

Energía, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad (Continuación)

Lugar

Nombre

Porcentaje de España

Densidad (hab./km²)

43º

Huesca

220.107

0,49%

14,10

44º

Cuenca

211.375

0,47%

12,30

45º

Zamora

197.237

0,44%

18,70

46º

Palencia

173.281

0,38%

21,50

47º

Ávila

168.638

0,37%

20,90

48º

Segovia

159.322

0,35%

23,40

49º

Teruel

144.046

0,32%

9,70

50º

Soria

93.593

0,21%

9,10

; ;: 51º

Ceuta

76.603

0,17%

4141,00

52º

Melilla

69.440

0,15%

5182,00

45.208.737

100,00%

89,60

TOTAL/MEDIAS

La generación de residuos y población El concepto de residuo urbano hace referencia a todos aquellos residuos cuya recogida y gestión la lleva a cabo la municipalidad, de ahí que en diferentes países pueda definir la denominación y la composición de estos residuos. En España los residuos municipales, también denominados domiciliarios o residuos sólidos urbanos (RSU), comprenden: • •

•

Residuos domésticos: los procedentes de los hogares. Residuos asimilables a urbanos: aquellos residuos procedentes del comercio, las oficinas y servicios. Aquí se incluyen los generados por mercados municipales, comedores públicos, hospitales (no los residuos sanitarios), que debido a su problemática específica ya contaban con recogida especial. Limpieza de calles, parques, playas, etc.

Estos residuos son, según la ley, responsabilidad del productor, en la misma medida que los generadores de residuos industriales son responsables de la gestión de la totalidad de sus residuos. Esto, sin embargo, no evita que la mayoría de municipalidades deban hacerse cargo finalmente de estos residuos y que las instalaciones de tratamiento final

reciban todos los residuos mezclados, sin importar la procedencia, a menos que se haya realizado una recogida selectiva. La generación de residuos es una consecuencia directa de cualquier tipo de actividad desarrollada por el hombre. En los hogares, oficinas, mercados, industrias, hospitales, etc., se producen residuos que es preciso recoger, tratar y eliminar adecuadamente. En la Directiva 91/456 se define “residuo” como «toda sustancia o todo objeto que se incluye en las categorías citadas en el Anexo 1 de la Directiva del Consejo 75/442/CEE (modificado), del que el poseedor se desprende o de la que tiene la intención o la obligación de deshacerse». Concretamente son considerados residuos urbanos «aquellos que produzcan o generen los habitantes de una ciudad o población, no solo como residuo propio, sino también, como consecuencia de las actividades que en las mismas tienen lugar». Esta definición incluye los residuos típicos generados en un núcleo urbano: domésticos, viarios, comerciales, de mercado, industriales y sanitarios. Partiendo de estas premisas, el ratio de producción de residuos por habitante y día con el paso de los años, no deja de ascender; la generación

207


de nuevos residuos, mayor número de envases y embalajes, productos de “usar y tirar”, mayor actividad comercial e industrial, nuevos hábitos de consumo, etc., provocan su alza continua. En el periodo 1990-2005 la producción de residuos urbanos en España ha aumentado un 88,8% en términos absolutos. La cantidad total de residuos urbanos generados en 2005 fue de 23.682.531 toneladas, lo que supone un aumento de más del 4% respecto a las cifras de generación del año 2004. Esta tendencia al alza se refleja igualmente en el ratio de generación de residuos urbanos por habitante y año. En el periodo 1990-2005 se produjo un incremento del 66,3%, situándose en este último año en 536,9 kg/hab y año. A pesar de que en los años 1998 y 2001 hubo una pequeña reducción respecto a los años anteriores, en los últimos años la generación de residuos urbanos volvió a aumentar. Este aumento de la cantidad de residuos urbanos se debe, por un lado, al incremento del ratio de generación de residuos urbanos por habitante y año, que muestra una tendencia clara al alza, y por otro, al aumento de la población que viene experimentado España en los últimos años y al efecto del turismo. La generación de residuos urbanos per cápita en España es inferior a la de los países de la UE15 (537 frente a 567 kg/hab y año) y superior, sin embargo, a la media de los países de la UE-27 (518 kg/hab y año). Existen importantes diferencias entre los distintos países, oscilando las tasas anuales de producción en el año 2005 entre los 245 kg/hab

de Polonia y los 740 kg/hab de Irlanda, algo más del triple. España, además de presentar datos de generación per cápita superiores a los europeos (UE-27), muestra una tasa de crecimiento con una tendencia al alza más acusada que la comunitaria. El incesante crecimiento de la tasa de producción de residuos urbanos, que ya supera los 1,4 kg por habitante y día en España, es una manifestación clara de la insostenibilidad del actual modelo de consumo. La Tabla 16.2 muestra la generación de RSU por comunidades. En cuanto a las variaciones temporales, existen dos tipos de población que las sufren de manera destacable: los núcleos costeros o áreas de proliferación de segundas viviendas, caracterizadas por recibir grandes puntas de población flotante a lo largo de determinados meses y, por otro lado, las grandes ciudades y poblaciones circundantes, en las que, por el contrario, la variación se produce al disminuir su población cuando llega la época de vacaciones. Según ciudades, la variación puede oscilar entre un 5-10% con respecto a los restantes meses. En zonas costeras y turísticas, las variaciones son muy dispares según la zona: desde incrementos del 20% al 300% en determinadas fechas, aunque puede establecerse una media del 50 % durante los tres meses estivales. Por lo que hace referencia a días señalados, sin duda alguna las fechas navideñas y, en concreto los días 6 y 7 de enero, se produce un incremento destacable motivado por el gran consumo de productos que se realiza en esas fechas. Al igual que

Tabla 16.2. Producción unitaria de RSU por comunidades autónomas. Comunidad

Kg/habitante y año

Comunidad

Kg/habitante y año

Andalucía

452

C. Valenciana

511

Aragón

395

Extremadura

392

Asturias

442

Galicia

322

Baleares

762

Madrid

490

Canarias

693

Murcia

401

Cantabria

448

Navarra

439

Castilla -la Mancha

357

País Vasco

411

Castilla León

384

La Rioja

448

Cataluña

531

Ceuta

438

208


Figura 16.3. Generación de residuos urbanos, año 2003.

durante el resto del año, según la población este incremento será mayor o menor pero, por regla general, en una capital de provincia de tamaño medio, durante estas fechas pueden generarse un 10% más de residuos urbanos que la media anual. La Figura 16.3 muestra, a grandes trazos, la generación de RSU por comunidades autónomas. Comparándolo con la Figura 16.1 se pone de manifiesto su paralelismo. La generación de RSU varía mucho en función de una serie de parámetros, algunos de los cuales se indican en la Tabla 16.3. Esta muestra, para un mismo país (en este caso el Reino Unido), cómo puede variar la generación en función de la concentración urbana. La Tabla 16.3 muestra que existe una clara correlación entre la densidad de población y la producción de residuos urbanos. Como sea que en la UE la tendencia al crecimiento de la población urbana va en aumento en detrimento de la rural, es fácil pre-

decir que la generación de RSU también aumentará (las estadísticas confirman este extremo). También existe una varianza en la caracterización según sea clima cálido, verano, o invierno. En España es habitual que en verano se incremente la fracción fermentable como consecuencia del mayor consumo de frutas, debido al calor y, obviamente, se generan más cáscaras. Sin embargo estas diferencias se van reduciendo con el tiempo. El factor turismo, muy importante en España, conduce a que los envases aumenten en verano. La relación entre el aumento de la generación de RSU, el incremento del PIB (Producto Interior Bruto) y la población, se establece, para el período 1990-2000, en la Tabla 16.4 (fuente OECD). Es difícil, en primera lectura, extraer resultados de la Tabla 16.4. Comparando EE UU y la UE, se cumple el principio de que al aumentar el PIB se incrementan los residuos per cápita. Sin embargo, la tabla indica que la relación se halla invertida, es

Tabla 16.3. Generación de RSU y población.

@ !

Kg RSU/persona y día

Kg RSU/persona y año

< 2.500

0,91

332

2.500 – 10.000

1,22

445

10.000 – 30.000

1,45

529

> 30.000

1,63

595

209

Territorio y población. Resíduos y efecto invernadero Tabla 16.4. Relación entre generación de RSU, PIB y población. = [\ ;:

PIB, aumento en %

\ ;:

Norteamérica

13

37

10

UE (15)

26

23

3

Región Asia - Pacífico

- 11

25

5

decir, quien más aumenta el PIB, menos incrementa los RSU. La explicación estriba en que EE UU partían de una generación unitaria de RSU mucho más elevada que la UE. Siguiendo con la comparación entre EE UU y la UE, ya que se trata de sociedades homologables por sus hábitos, cultura y nivel de renta, la Figura 16.4 introduce un nuevo factor de interés, al comparar (en porcentajes) la caracterización media de los RSU. En la introducción de este apartado se hacía mención a que la falta de definiciones claras conduce a errores. Un caso bien ilustrativo lo constituye la Figura 16.4. A primera vista parece que la cantidad de fermentables en EE UU, aproximadamente el 17%, es muy pequeño en comparación con el 32% de la UE. No obstante, si se tiene en cuenta que la cifra media de generación en EE UU es de 720 kg/ persona y año, la cantidad de fermentables sería de 122 kg/persona y año, mientras que en la UE la cifra oscilaría alrededor de los 176 kg/persona y año. En valor absoluto la diferencia es de 54 kg/persona y año, una explicación consiste que en Europa los restos de jardín se incluyen en los fermentables (residuos orgánicos). Sin embargo existe otro fac-

tor distorsionador, en los EE UU se tiende mucho a comprar alimentos precocinados, lo que hace disminuir la cantidad de fermentables en el hogar pero aumenta la cantidad de envases, puesto que los alimentos deben estar muy bien envasados. En cualquier caso, y en relación con la emisión de metano, gas de potente efecto invernadero (integrante del gas de vertedero), es preciso recordar que: • Existe una correlación directa entre la materia fermentable y su transformación en metano. • La mayoría de los RSU, tanto en EE UU como en la UE, terminan en los vertederos, lo que facilita la producción de biogás (cuyo componente principal es al metano). • Necesariamente, los vertederos han de estar próximos a las ciudades, lo que crea una sinergia entre polución, contaminación y efecto invernadero. Debido al incremento vegetativo de la población y al incremento de la renta per cápita, se estima que, en 2030, la generación de residuos sólidos urbanos habrá crecido un 35%.

Figura 16.4. Comparación composición RSU entre EE UU y la UE.

210


Sistemas de gestión de residuos En España, la reforma normativa incluida en la Ley 7/1985, Reguladora de las Bases de Régimen Local, estableció nuevas competencias a los municipios, de modo que aquellos con población superior a 5.000 habitantes debían prestar servicio de tratamiento de residuos, y aquellos otros de más de 50.000 debían establecer además políticas de protección medioambiental. La Carta de Aalborg, suscrita en 1994 por ochenta municipios europeos, establecía los principios de la economía urbana hacia la sostenibilidad, entre los que exponía la necesidad de incrementar la eficiencia en el uso final de los productos, con edificios de elevada eficiencia energética o transportes urbanos respetuosos con el medio ambiente. En la Unión Europea, y en general en el resto de los países industrializados, existe unanimidad en la manera de enfocar la problemática del tratamiento de los residuos. A grandes rasgos la citada política establece la siguiente jerarquización: •

•

•

Minimización. Deben fomentarse todos los procesos que supongan una reducción de la generación de residuos. En el caso de los RSU ello pasa por la educación ambiental y por el cambio de hábitos en el consumo. Valorización. Una vez producido el residuo se debe recurrir a toda una serie de técnicas para su reutilización. Para los RSU la primera opción de reciclaje pasa por la recogida selectiva y la recuperación de todas aquellas materias que puedan volver a usarse. El reciclaje por medio de las fracciones presentes en los RSU es relativamente fácil cuando estas proceden de la recogida selectiva. Finalmente se debe educar al ciudadano para que emplee con preferencia los materiales reciclados. Las estadísticas demuestran que la percepción que tiene el ciudadano sobre el empleo de productos reciclados es negativa y ello se debe combatir con la educación ambiental. Tratamiento. Se denomina así a todos aquellos procesos que tienen como fin reducir la toxicidad del residuo pero cuyo destino final es el vertedero. Así, los pretratamientos,

como el típico tratamiento físico/químico, es un proceso de reducción del impacto por medio de la estabilización como paso previo al vertedero. Con la valorización energética, al menos, se recupera energía. La comunidad internacional establece este orden de prioridad preconizando, si conviene, un tratamiento fiscal a favor de la valorización y la minimización, así como una penalización a los tratamientos, en particular al vertido, extremo en el que se muestra claramente beligerante. En la gestión de los RSU existen, de forma simplificada, tres formas básicas: • • •

La recogida selectiva. El triaje en planta y valorización. El tratamiento (es decir, básicamente el vertido).

Figura 16.5. Modelos de gestión de los RSU.

Como pretende simbolizar el esquema de la Figura 16.5, el futuro de la sostenibilidad en la gestión de los RSU pasa por la recogida selectiva. Muchos de los problemas que existen en las ciudades, en particular las del sur de la UE, derivan de un urbanismo vertical que imposibilita la colocación de los contenedores necesarios. Cuando el material, recogido selectivamente, llega a las plantas de triaje, aquel está razonablemente limpio y ello facilita su reciclado. Cuando, ya sea por motivos técnicos o económicos, no existe posibilidad de llevar a cabo una


recogida selectiva con contenedores en las calles, una solución alternativa es la valorización energética. En cualquier caso la última opción debería ser el depósito en vertederos ya que de ellos lo único posible de recuperar es el biogás (una fracción), en la hipótesis de que el relleno disponga de sistema de desgasificación. La gestión propiamente dicha se puede dividir en cuatro fases diferenciadas: prerrecogida, recogida, transporte y tratamiento. La prerrecogida consiste en el debido almacenamiento, manipulación, clasificación y presentación de los residuos en condiciones adecuadas para su recogida y traslado. Esta fase es esencial para el correcto funcionamiento de las siguientes y por ello se ha mejorado y adaptado considerablemente en los últimos años con la instalación de contenedores y con campañas de sensibilización ciudadana. Las fases de recogida y transporte suelen ser las más costosas y requieren una cuidada planificación. Los residuos pueden ser transportados directamente a los puntos de tratamiento o a plantas de transferencia donde se compactan y se cargan en camiones más grandes y adecuados para el transporte hasta su destino definitivo. El tratamiento incluye las operaciones encaminadas a la eliminación o al aprovechamiento de los materiales contenidos en los residuos. Los sistemas legales actualmente más utilizados son el vertido controlado y la incineración. En España ha estado tradicionalmente muy extendida la práctica de eliminar ilegalmente los residuos arrojándolos a vertederos incontrolados. Con el incremento de la generación

211

de residuos, esta práctica se revela como insostenible y, necesariamente, la situación está cambiando. El vertido es el método tradicionalmente más empleado y en la actualidad continúa siendo el predominante en cuanto a volumen de residuos tratados en España. La incineración de residuos permite reducir considerablemente el peso y el volumen de las basuras de modo casi inmediato, sin que sea preciso el almacenamiento de los residuos, durante largos periodos de tiempo, en vertederos o almacenes y requiere poco terreno en comparación con el necesario para la instalación de vertederos. Por ello, es un sistema bastante difundido en Europa y en otras partes del mundo, como Japón, donde las disponibilidades de espacios para vertederos son menores. Por otra parte, la combustión de los RSU (cada día con mayor poder calorífico) permite obtener energía eléctrica o calorífica, facilitando el ahorro de otras fuentes de energía. Por lo que hace referencia al tratamiento, la Figura 16.6 muestra las vías de gestión usadas para los RSU de algunos países representativos de la UE. La Figura 16.6 hace referencia tan solo a los porcentajes de los sistemas de tratamiento de RSU en algunos países de la UE (15) durante 2003. Un análisis con carácter retrospectivo pondría de manifiesto que: •

En casi todos los países de la UE ha descendido el vertido como sistema de tratamiento.

Figura 16.6. Tratamiento de los RSU en diversos países de la UE.

212 •


De manera paralela se ha incrementado el reciclaje y la valorización energética.

Es de esperar que el aumento de la densidad de población en el territorio, la Ley 1999/31/CE referente al vertido de materiales orgánicos, la escasez de materias primas y la creciente necesidad energética en todo el territorio de la UE, conduzcan a un incremento de la tasa de reciclaje y, sobre todo, de valorización energética en detrimento del vertido. No es posible catalogar uno de los métodos de tratamiento de los residuos como indiscutiblemente superior al resto en todos los casos, ni descartar por completo el empleo de ninguno de ellos. La reducción en origen es una valiosa estrategia para reducir el volumen de residuos y los costes de tratamiento, pero su alcance es limitado y, a partir de cierto umbral, una reducción adicional puede suponer un incremento no asumible en el coste. El reciclaje y el compostaje permiten recuperar determinados mate-

riales, pero hay otros que no se pueden reciclar ni recuperar y otros cuyo reciclaje es tan costoso que no resulta rentable. La incineración permite reducir el volumen de residuos, pero genera un resto irreductible (escorias y cenizas) que, en parte, también se puede valorizar. En cuanto a los vertederos, su empleo es potencialmente ilimitado, pero los costes económicos y ambientales derivados de un vertido indiscriminado serían infinitos. En general, la solución óptima requiere alguna combinación de los distintos métodos disponibles. De este modo la primera opción consiste en reutilizar y reducir los residuos mientras sea posible. Una vez que esta primera fase ya no es aplicable, la siguiente opción preferible es el reciclaje de materiales, incluyendo el compostaje. Por último, los residuos que no puedan ser tratados por los métodos anteriores se destinan a los dos métodos considerados como menos deseables: la incineración (con recuperación de energía) y el vertido.

Vertederos y efecto invernadero Datos del Ministerio de Medio Ambiente reflejan que en España, y en 2006, el 56,73% de la producción anual de RSU se eliminó mediante vertido. Existen multitud de vertederos de residuos urbanos que albergan en su interior gran cantidad de materia orgánica en proceso de descomposición. La composición de la basura es reflejo de la actual sociedad. Los productos tienen un exceso de embalaje, o son envasados con materiales no reutilizables, como los plásticos, y, una vez finalizada su utilidad, se tiran a la basura. El impacto ambiental y sobre la salud pública que ocasionan los vertederos es cada vez más grave, pues el volumen de los residuos continúa creciendo sin que se tomen medidas para reducir su generación. La disposición en los vertederos es el método más tradicional de recogida de basuras, y se mantiene como una práctica común en la mayor parte de países. Históricamente, los vertederos se establecían en canteras en desuso, minas abandonadas, etc. Un vertedero correctamente diseñado y bien gestionado puede ser un método higiénico y relativamente barato de eliminar materiales de desecho

de una forma que reduce al mínimo su impacto sobre el entorno local. Vertederos más viejos, mal diseñados o mal gestionados pueden generar un impacto ambiental importante, como la basura arrastrada por el viento, la atracción de insectos y la generación de lixiviados que pueden contaminar aguas subterráneas. Otro vector contaminante emitido los vertederos es el gas de vertedero (compuesto sobre todo de gas metano y dióxido de carbono), que es producido por la descomposición de la fracción fermentable. Habitualmente, la basura es comprimida para aumentar su densidad, y cubierta para prevenir atraer animales (como roedores y aves) y reducir la cantidad de desecho arrastrada por el viento. Muchos vertederos también tienen un sistema de extracción de gas instalado después del cierre para extraerlo a partir de los materiales en descomposición. La extracción de biogás es obligado por ley. Muchos ayuntamientos, sobre todo en áreas urbanas, han encontrado muy difícil establecer nuevos vertederos debido a la oposición de los propietarios de las parcelas colindantes. Pocas personas quieren un vertedero junto a su parcela. Por lo


tanto, la recogida de residuos sólidos se ha hecho más cara ya que los desechos deben ser transportados más lejos para la disposición (o gestionado por otros métodos). Este hecho está aumentando la preocupación por el impacto ambiental debido al excesivo consumo de productos, y ha dado lugar a grandes esfuerzos por reducir al mínimo la cantidad de desechos enviados al vertedero. Estos esfuerzos incluyen el reciclaje, convertir los desechos en energía diseñando envases que usen menos material, y la legislación que confiere por mandato a que los fabricantes se hagan responsables de los gastos de disposición de productos y del embalaje. Por ejemplo, en la ecología industrial, donde se estudian los flujos de materiales entre industrias, los subproductos de una industria pueden ser una materia útil a otro, lo que redunda en una disminución de los desechos finales. Los vertederos de residuos sólidos urbanos presentan importantes impactos ambientales y sociales: impactos visuales, degeneración de terrenos, impactos de diversa índole en el entorno, rechazos de la población vecina, etc. Sin embargo es la producción de lixiviados líquido con alta carga orgánica y gran cantidad de elementos en su composición, procedente de los procesos naturales de degradación del residuo y de la filtración del agua de lluvia a través del lecho del vertedero y la generación del conocido biogás resultante de la descomposición de la materia orgánica en condiciones anaeróbias, los dos problemas más acuciantes en la gestión diaria de un vertedero controlado de residuos sólidos urbanos. El supuesto de que los escapes de lixiviados puedan llegar a un cauce contiguo puede generar, según la cantidad, graves problemas al ecosistema del medio, debido en gran medida a la alta carga orgánica que contienen. Es preciso su control y tratamiento dentro de las instalaciones del vertedero con alguna de las técnicas actuales existentes (ósmosis, evaporación forzada, etc.). Por otra parte, las emisiones incontroladas de biogás (compuesto fundamentalmente por metano y dióxido de carbono, además de una gran lista de componentes peligrosos en cantidades pequeñas y trazas), se realizan a través de la atmósfera o del subsuelo, generando malos olores, diversos efectos sobre la

213

vegetación colindante, incluso explosiones en el seno del vertedero o sobre su superficie. El gas CH4, junto con dióxido de carbono, CO2, y pequeñas cantidades de otras sustancias, es el resultante de los procesos de fermentación anaeróbia, proceso biológico en presencia insuficiente de oxígeno de la materia orgánica. Entre otros gases emitidos en los vertederos, como muestra la Tabla 16.5, se encuentra el benceno, tricloretileno y cloruro de metilo, de efectos tóxicos y cancerígenos. Tabla 16.5. Composición porcentual del gas de vertedero.

: ] ; <: metánica en base al volumen seco Compuesto

Porcentaje

Metano

45 – 60 %

Dióxido de carbono

40 – 60 %

Nitrógeno Oxígeno Sulfuros, disulfuros, mercaptanos, etc.

2–5% 0,01 – 1 % 0–1%

Amoniaco

0,01 – 1 %

Hidrógeno

0 – 0,2 %

Monóxido de carbono

0 – 0,2 %

Gases en cantidades traza*

0,01 – 0,6 %

* Diclorometano, tolueno, acetona, acetato de vinilo, etilbenceno, etc.

Muchas de las oportunidades de reducción de emisiones de metano disponibles conllevan la recuperación y el uso del metano como combustible para generar electricidad a usarse in situ. Estas acciones representan oportunidades clave para reducir las emisiones de operaciones de control de residuos animales, minas de carbón, vertederos y sistemas de gas natural y petróleo. Las tecnologías específicas y los métodos de mitigación, no obstante, varían según la fuente de emisión debido a sus distintas características y procesos de emisión. El método principal para reducir las emisiones de metano de los vertederos conlleva la recolección y combustión o uso de los gases de vertederos. Las tecnologías de utilización de gases de vertederos se concentran en la generación de electricidad y el uso directo de gas. La generación de electricidad implica la transferencia de metano recolectado por tuberías hacia motores o turbinas de combustión.

214


Las tecnologías de uso directo pueden usar el gas de vertederos directamente como combustible de poder calorífico intermedio, mientras que otras requieren que el gas se trate, básicamente eliminando compuestos ácidos y siloxanos, antes de su introducción en sistemas de cogeneración. La Figura 16.7 muestra el sistema recolector de biogás. Hay que mencionar que un vertedero

de nuevo diseño, en el que la ley obliga a instalar un equipo de desgasificación, se calcula que podrá captar cerca del 50% del biogás, mientras que si la desgasificación se lleva a cabo sobre un vertedero ya existente, la tasa de captación de biogás difícilmente alcanza el 20%.

Figura 16.7. Sistema de recolección de gas de vertedero.

Sostenibilidad: huelga ecológica, ambiental y social

17

ESPAÑA SE HALLA AL LÍMITE EN EL USO DE TERRITORIO PARA LA PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS. •

•

• • • •

• •

• • • •

Nuestro organismo es una “máquina” con una potencia media del orden de 150 W, que a la hora consume una energía, en forma de alimentos, de 0,15 kWh, lo que equivale a las 3.106 kcal/ día. Desde el punto de vista energético: sería suficiente 0,5 kg de carbón al día para subvenir las necesidades calóricas de la “máquina humana”, que, de media, ingiere 2,32 kg de alimentos al día. Para proporcionar esta cantidad de alimentos, cada ciudadano precisa de 3.153 m2, lo que representa una huella agrícola equivalente al 45% de la superficie de España. El consumo exosomático, es decir el derivado de los materiales no comestibles, llega, en el caso de España, a 210 kG/persona y día, con una energía asociada de 6 kWh/día. La suma del consumo metabólico y el exosomático supone un consumo diario de 6,2 kWh, 2,2 veces superior a la media mundial. El hombre postindustrial, nuestra generación, ha creado un desequilibrio que es preciso corregir ya que, siguiendo esta progresión con el hombre de la era de la informática esta relación puede llegar a 500. La sostenibilidad social ha de estar directamente relacionada con el bienestar y la calidad del medio ambiente. La contaminación atmosférica afecta directamente a la salud de las personas. Pero Además indirectamente: modificación del nivel del mar, cambios en el uso del suelo, etc. También está relacionada con la economía debido a los problemas relacionados con los combustibles fósiles. Hay que racionalizar el uso y consumo de agua, principalmente en la agricultura. Los terrenos contaminados reducen la capacidad de autodepuración del agua. Las aguas freáticas, que en España abastecen al 30% de la población, tienen un alto nivel de contaminación. A ello hay que añadir los problemas que ocasiona la intrusión marina. La carencia o debilidad de la cubierta vegetal del terreno acrecienta la erosión. La desertificación aumenta a causa de las condiciones climáticas, pero básicamente por las actividades antropológicas.

216 • •

•

•


En los países del primer mundo el desarrollo económico influye directamente en el deterioro del medio natural. Ello obliga a definir espacios protegidos y recuperar especies amenazadas. En todo el mundo, la actividad del hombre está deteriorando el desarrollo por: el mal uso del suelo, planes de urbanización incorrectos, técnicas agrícolas poco ecológicas, construcción indiscriminada de infraestructuras de todo tipo. En España la superficie forestal es del 52%, superior a la media europea. No obstante puede estar en riesgo si no se sigue una política de fomento, vigilancia y rentabilidad de la explotación forestal. España es uno de los países de la UE que peor conservan su biodiversidad, según el primer informe presentado por la Comisión Europea, pues tan solo el 1% de sus hábitats amenazados y el 12% de sus especies están bien conservados. Además, es el país de la UE-25 que menos datos ha proporcionado, pues ni siquiera dispone de información para el 64% de sus hábitats y para el 44% de sus especies.

Introducción El desarrollo sostenible supone una nueva forma de enfrentarse a los cambios constantes a los que está sometido el mundo, y que, siendo muchas veces decididos por unos pocos países, afecta a todos y en todos los ámbitos. Ello implica sencillamente tomar decisiones que supongan un beneficio global por encima de intereses propios. Básicamente, la sostenibilidad se basa en los siguientes principios: erradicación de la pobreza, desarrollo económico y social, protección del medio ambiente: atmósfera, agua y suelo, lucha contra la desertificación y la pérdida de terreno agrícola, lucha contra el cambio climático, etc. De la Cumbre de Río de Janeiro surgió un plan de acción que engloba todas las cuestiones relacionadas con el desarrollo sostenible medioambiental: el Programa 21. Dicho plan constituye un instrumento operativo que tiene en cuenta los elementos del desarrollo que afectan al medio ambiente: pobreza, deuda externa de los países en desarrollo, modalidades insostenibles de producción y consumo, presión demográfica y estructura de la economía internacional. La Unión Europea ha desarrollado una línea de trabajo en varias direcciones: •

Incluir el concepto de sostenibilidad en los principios de todas las políticas comunitarias para promover el progreso económico y social.

• •

Impulsar y definir estrategias para el desarrollo sostenible. Crear la Agencia Europea de Medio Ambiente en materia de informes periódicos y diseño de indicadores.

La Unión Europea dio un paso firme hacia adelante, aprobando en el año 2001 la Estrategia de la Unión Europea para un Desarrollo Sostenible (Gotemburgo, 2001), cuyos objetivos fueron los siguientes: • Lucha contra el cambio climático. • Incremento del empleo de las energías renovables. • Gestión de los recursos naturales. • Ordenación territorial. En España se elaboró un primer borrador de la Estrategia Española de Desarrollo Sostenible, aunque finalmente no vio la luz. Son diversas las comunidades autónomas que han elaborado programas relacionados con el desarrollo sostenible: • • • •

Principado de Asturias (Estrategia Asturiana de Desarrollo Sostenible). La Rioja (Estrategia de Desarrollo Sostenible de La Rioja). Castilla y León (Estrategia de Desarrollo Sostenible de Castilla y León). Estrategia Ambiental Vasca de Desarrollo Sostenible (País Vasco).

217


La huella ecológica Previamente a analizar la sostenibilidad conviene hacer una revisión de la denominada huella ecológica correspondiente a la alimentación y su impacto en el territorio, para seguir con la huella exosomática equivalente a la cantidad de energía que supone el consumo de materias primas y energía.

•

•

IMPACTO DEL METABOLISMO BIOLÓGICO O ENDOSOMÁTICO La Tabla 17.1 reproduce, de diversas fuentes, entre ellas el Ministerio de Medio Ambiente, Rural y Marino, el consumo de los principales alimentos de los españoles en 2008. De la Tabla 17.2 se deduce, por ejemplo, que: •

• •

Los alimentos ingeridos contienen un 65%, de media, de agua, lo que viene a representar 1,5 litros/día. A esta cifra hay que aña-

dirle el consumo de agua procedente de la red pública. Nuestro organismo es una “máquina” con una potencia media del orden de 150 W, que, a la hora, consume una energía, en forma de alimentos, de 0,15 kWh, lo que equivale a las 3.106 kcal/día, para el caso de la población española. Desde el punto de vista energético, sería suficiente 0,5 kg de carbón al día para subvenir las necesidades calóricas de la “máquina humana”, que, de media, ingiere 2,32 kg de alimentos al día. Al consumo energético humano se le denomina metabolismo biológico o endosomático. Esta cifra, obviamente, no puede variar a la que precisa cualquier ciudadano del planeta. Sin embargo, su cuantía puede verse incrementada por el trabajo físico.

Tabla 17.1. Consumo unitario de alimentos en España en 2008. METABOLISMO BIOLÓGICO O ENDOSOMÁTICO Alimento

kg/año

g/día

kcal/g

kcal/día

% humedad

Agua (g/día)

Vacuno

12,2

33,32

1,50

49,97

24%

8,00

Cerdo

13,2

36,12

2,30

83,08

8%

2,89

Pollo

10,1

27,70

1,00

27,70

33%

9,14

Ovino/caprino

5,0

13,68

1,10

15,04

20%

2,74

Otras carnes

5,2

14,20

1,10

15,62

20%

2,84

Carne transformada

18,4

50,32

1,30

65,42

25%

12,58

Pescado fresco

15,3

41,91

1,50

62,87

35%

14,67

Pescado congelado

3,7

10,03

1,50

15,05

35%

3,51

Mariscos

10,2

28,01

0,30

8,40

50%

14,00

Conservas y otros

7,1

19,37

1,60

30,99

40%

7,75

Leche (líquida)

88,5

242,47

0,70

169,73

90%

218,22

Postres lácteos

3,2

8,88

2,80

24,85

80%

7,10

Batidos

3,4

9,34

3,10

28,96

80%

7,47

Queso

8,3

22,63

3,00

67,89

30%

6,79

Leches fermentadas

16,0

43,95

1,50

65,92

80%

35,16

Helados

4,5

12,27

2,50

30,68

80%

9,82

(Continúa)

218

Energía, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad (Continuación) METABOLISMO BIOLÓGICO O ENDOSOMÁTICO

Otros lácteos

5,9

16,16

2,50

40,41

80%

12,93

Aceite de oliva

9,7

26,57

9,00

239,14

5%

1,33

Otros aceites

7,1

19,52

8,00

156,12

5%

0,98

Patatas

30,6

83,84

0,60

50,30

75%

62,88

Tomates

16,1

44,11

0,40

17,64

90%

39,70

Cebollas

8,8

24,11

0,20

4,82

90%

21,70

Pimientos

5,3

14,52

0,30

4,36 90%

13,07

Lechugas

6,6

18,08

0,20

3,62

90%

16,27

Otras hortalizas

29,7

81,37

0,20

16,27

90%

73,23

15

41,10

3,50

143,84

13%

5,34

Cítricos

28,37

77,73

0,45

34,98

85%

66,07

Manzanas

12,4

33,97

0,52

17,67

85%

28,88

Frutas con hueso

8,8

24,11

0,30

7,23

82%

19,77

Sandías

10,5

28,77

0,30

8,63

87%

25,03

Plátanos

15,6

42,74

0,90

38,47

75%

32,05

Otras frutas

26,07

71,42

0,30

21,43

80%

57,14

Frutos secos

5

13,70

0,50

6,85

10%

1,37

Vinos

18,5

50,68

0,70

35,48

95%

48,15

Aguas minerales

72,7

199,25

0,00

0,00

99%

197,26

Bebidas refrescantes

70,5

193,03

0,40

77,21

95%

183,37

Cervezas

61,4

168,12

0,45

75,65

95%

159,71

Pan

56,8

155,67

2,50

389,17

30%

46,70

Bollería

14,5

39,85

4,50

179,33

25%

9,96

Huevos

19,1

52,30

1,60

83,69

70%

36,61

Azúcar

25,0

68,49

3,80

260,27

1%

0,68

Otros cereales

45,0

123,29

3,50

431,51

13%

16,03

Legumbres

TOTAL

2.326,7

3.106,3

1.538,9

Energía diaria

3.106

kcal/día

Alimento diario

2.327

g/día

Energía horaria

129,4

kcal/h

1.539

g/día

Energía horaria

0,150

kWh

Agua (sin contar la de red) Alimento seco diario

788

g/día

OCUPACIÓN DE TERRENO PARA LAS NECESIDADES ALIMENTICIAS La Tabla 17.2 muestra, en promedio, la superficie precisa para el cultivo de los diversos alimentos que se han citado en la tabla anterior. Salta a la vista que la Tabla 17.2 no es completa ya que: • No tiene en cuenta la parte alícuota que corresponde al pescado.

•

Parte de la base de que todo el alimento consumido se produce en España.

Con todo, la tabla persigue calcular una superficie mínima denominada huella agrícola, que es la que debe ocupar los diversos cultivos para proporcionar el alimento a los ciudadanos. A partir de la Tabla 17.2, la Tabla 17.3 calcula, con los habitantes de España, la superficie precisa para las necesidades vitales. Los bosques ocupan

219

Sostenibilidad: huelga ecológica, ambiental y social Tabla 17.2. Ocupación de espacio para el cultivo. METABOLISMO BIOLÓGICO O ENDOSOMÁTICO Alimento Vacuno Cerdo Pollo Ovino/caprino Otras carnes Leche (líquida) Postres lácteos Batidos Queso Leches fermentadas Helados Otros lácteos Aceite de oliva Otros aceites Patatas Tomates Cebollas Pimientos Lechugas Otras hortalizas Legumbres Cítricos Manzanas Frutas con hueso Sandías Plátanos Otras frutas Frutos secos Vinos Aguas minerales Bebidas refrescantes Cervezas Pan Bollería Huevos Azúcar Otros cereales TOTAL

kg/año 12,2 13,2 10,1 5,0 5,2 88,5 3,2 3,4 8,3 16,0 4,5 5,9 9,7 7,1 30,6 16,1 8,8 5,3 6,6 29,7 15 28,37 12,4 8,8 10,5 15,6 26,07 5 18,5 72,7 70,5 61,4 56,8 14,5 19,1 25,0 45,0

kg/ha 300 300 800 200 200 10.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 4.000 4.000 10.000 15.000 15.000 15.000 15.000 15.000 12.000 10.000 10.000 10.000 10.000 10.000 10.000 10.000 8.000 20.000 20.000 10.000 2.000 1.000 800 12.000 5.000

2

m /persona-año 405 439 126 250 259 89 32 34 83 160 45 59 24 18 31 11 6 4 4 20 13 28 12 9 11 16 26 5 23 36 35 61 284 145 239 21 90 3.153

un 32% del territorio, el terreno improductivo es el 7,2%, mientras que el resto es terreno cultivable y de pastos y prados. Suponiendo que parte de los cultivos se llevan a cabo en zona denominada terrenos de pastos y prados (como sucede con buena parte del ganado y algunos cultivos de árboles), la superficie agrícola disponible de España es de 30.764.131 ha, lo que indica que se deberá usar el 45,1% del terreno disponible. Es decir, la huella agrícola en España supone el 45% del terreno cultivable.

Tabla 17.3. La huella agrícola. HUELLA ECOLÓGICA: SUPERFICIE CULTIVADA Espacio por habitante y año Superfie agrícola de cultivo Habitantes de España Superficie precisa de cultivo Superficie de España Superficie de España Terreno cultivado (España) Terreno de pastos y prados (España) Total terreno agrícola

m2 ha

3.153 0,32 44.000.000 13.873.736 505.989 50.598.900 20.087.763 10.676.368 30.764.131

% de área para satisfacer las necesidades

ha km2 ha ha ha ha

45,1%

METABOLISMO SOCIAL O EXOSOMÁTICO Esta expresión se refiere al consumo per cápita de combustibles fósiles y a la energía precisa para obtener una serie de bienes y/o productos. La Tabla 17.4 muestra el consumo per cápita en España, referido a 2008, de una serie de bienes y materiales. Tabla 17.4. La huella exosomática METABOLISMO SOCIAL O EXOSOMÁTICO Producto

kg/año

kg/día

kWh/kg

kWh/día

Gas natural

588

1,61

13,60

21,9

Carbón

569

1,56

8,14

12,7

Petróleo

1.540

4,22

13,95

58,9

Electricidad (1) Agua (2)

565

1,55

8,95

13,9

54.750

150,00

0,0003

0,0

Papel y cartón

152

0,42

4,00

1,7

Madera

417

1,14

4,00

4,6

Cemento

1.179

3,23

2,00

6,5

Acero

438

1,20

5,00

6,0

Áridos

10.714

29,35

0,10

2,9

Piedra ornamental

4.481

12,28

0,15

1,8

Vidrio

48

0,13

7,00

0,9

Cerámica

833

2,28

2,00

4,6

Aluminio

12

0,03

15,00

0,5

Plásticos

155

0,42

6,00

2,5

Fertilizantes

193

0,53

10,00

5,3

TOTAL Energía diaria

76.633

145

145

kWh/día

Energía horaria

6,0

kW

Cantidad de productos

210

kg/día

(1) Solo la de origen nuclear (2) Solo el agua de boca

La Tabla 17.4 hace referencia a materiales no destinados a la alimentación. Habiendo elegido tan solo algunos de los más comunes e importantes, se aprecia enseguida la gran desproporción entre la

220


cantidad de materiales correspondientes al metabolismo biológico, del orden de 2,3 kg/día, y los generados para el metabolismo exosomático, 210 kg/día, es decir, 90 veces mayor. De hecho, si se tienen en cuenta los residuos generados (residuos agrícolas, los residuos de postconsumo urbano los RSU y los fangos de EDAR, los residuos ganaderos, etc., la relación pasaría de 100, lo cual parece a todas luces insostenible.

PARÁMETROS DERIVADOS DE LAS HUELLAS Y SOSTENIBILIDAD A título de resumen, la Tabla 17.5 muestra los resultados del análisis de la huella endosomática y exosomática. Tabla 17.5. Conclusiones sobre las huellas endo y exosomáticas. MATERIALES Consumo biológico Consumo exosomático Relación exo/endo

2,3

kg/día

210,0

kg/día

90

ENERGÍA Consumo endosomático

0,150

kWh/persona

Consumo exosomático

6,0

kWh/persona

Relación exo/endo

40

Total consumo

6,2

kWh/persona

Promedio mundial

2,8

kWh/persona

Consumo España/media mundial

2,2

Por lo que hace referencia a los materiales, la relación exo/endo es de 90. En el hombre primitivo esta relación, probablemente, era la unidad y hay que llegar al hombre de la era industrial para que se genere un fuerte desequilibrio. El hombre postindustrial, nuestra generación, ha creado un desequilibrio que es preciso corregir ya que, siguiendo esta progresión con el hombre de la era de la informática, esta relación puede llegar a 500. Algo semejante acontece con la energía asociada. El hombre actual de occidente precisa 0,15 kWh/día, mientras que el modelo de vida actual exige un gasto 40 veces mayor. Sumando la energía metabólica y la exosomática, el consumo total medio del hombre occidental se sitúa en 6,2 kWh/ día, lo cual representa casi tres veces la media mundial.

LA AGRICULTURA AL AIRE LIBRE La informática junto a los enormes avances de la biotecnología anuncian una nueva era en la producción alimentaria. La alimentación procedente del campo siempre ha estado mediatizada por la climatología, los cambios estacionales y, en tiempos más recientes, por la presión demográfica sobre el territorio. Es muy probable que, a finales de este siglo, los parámetros ambientales dejen de afectar a la producción agrícola, en especial debido a la manipulación genética de muchas plantas. La primera revolución agrícola sustituyó la fuerza animal por una eficiente maquinaria y todo ello unido al uso de fertilizantes y fitosanitarios, permitió, en el siglo XX, un gran avance y bienestar de la sociedad, el siglo XXI es posible que acabe con la agricultura que se conoce hoy día y la sustituya por otra de invernadero/laboratorio. Los defensores de la producción de alimentos basada en el cultivo de tejidos celulares en espacios cerrados, defienden que habrá una reducción del uso de la tierra, una menor erosión, menores cantidades de productos químicos para uso agrícola, menor consumo de energía y menores costes de transporte. Los detractores arguyen que, si bien la alimentación dejará de depender de la climatología o las interferencias políticas, quedará en manos de grandes corporaciones tecnológicas que dominaran de manera abrumadora la alimentación. Es de esperar que los costes de alimentación se reduzcan de forma drástica, sin embargo flota la sombra de un monopolio mundial de alimentación semejante a lo acontecido, el siglo pasado, con las compañías petroleras. El sector primario, en el mundo desarrollado, ha ido perdiendo importancia hasta suponer algo menos del 3% de la fuerza laboral. El trabajo en el campo es duro y la gente se siente mejor en el sector de servicios. La otra cara de la misma moneda es la casi total eliminación de la mano de obra dedicada ancestralmente a las labores del campo, lo que supone la primera ocupación de la humanidad en los albores del siglo XXI.

OTROS MODELOS MÁS SOSTENIBLES La disputa entre placer, fiscalidad y sanidad hace decenios que anda en el aire sin que se trace


una hoja de ruta de prioridades bien definida. Así hasta hace bien poco los denominados “impuestos del pecado”, en referencia al tabaco y al alcohol, eran socialmente tolerados y con frecuencia criticados. El ciudadano paga unos impuestos por fumar o beber alcohol que el estado acepta gustosamente. En los últimos años han sido muchas las voces que han protestado por considerar que estos “pecados” conllevan un gasto sanitario muy superior a la aportación en forma de impuestos y los ciudadanos “virtuosos” deben aportar más dinero para ayudar a los “viciosos”. Recientemente la discusión se ha enriquecido con otros factores menos conocidos. Así, muy recientemente la British Medical Association formuló una controvertida propuesta consistente en gravar con un 17,5% el IVA de los alimentos ricos en grasa. Es bien sabido que las grasas pueden conducir a la obesidad y ésta es una patología que cada día cuesta más dinero a la sanidad pública. Casi el 20% de los varones y el 25% de las muje-

221

res son obesos en el Reino Unido, y se prevé un incremento de estos porcentajes en los próximos años. El aumento de la obesidad que ha pasado a ser una preocupación mundial, es una de las causas principales de la diabetes, enfermedades cardiovasculares, hipertensión y dolencias relacionadas con el cáncer de esta manera, muchos médicos en el Reino Unido apoyan esta iniciativa. A diferencia del tabaco o el alcohol, la gente aceptará mejor el impuesto sobre el consumo de gasas. Sin embargo, desde el punto de vista sanitario es muy parecido. Una bioagricultura basada en el cultivo celular en espacios cerrados podría conciliar ambas tendencias. El desplazamiento de la carga fiscal hacia las conductas nocivas para la salud y el medio ambiente, permitiría a la sociedad obtener recursos para financiar organizaciones que luchan por la conservación del medio ambiente, la educación ambiental, los modelos sostenibles, la competitividad energética y, en definitiva, la mejora constante de la calidad de vida.

Sostenibilidad social y económica La sostenibilidad social está directamente asociada con el concepto del bienestar, y está basada en los siguientes aspectos: • • • • • • • •

Igualdad de oportunidades. Eliminación de la exclusión social. Eliminación de la pobreza. Mercado de empleo más eficiente. Garantía de derechos sociales. Distribución equitativa de la riqueza. Educación al alcance de todos. Medio ambiente de calidad.

El bienestar social debe estar siempre incluido en todas las estrategias de desarrollo sostenible

siendo como es una garantía de calidad de vida. Otro aspecto muy importante a tener en cuenta es el incremento demográfico, principalmente en zonas meridionales, ya que provoca una desigual ocupación del territorio, encontrando zonas muy densas con otras mínimamente pobladas, lo que conduce a futuros problemas en la gestión de los propios recursos. El desarrollo económico sostenible es posible si la productividad de los recursos es suficientemente elevada. Su importancia se centra en que es capaz de garantizar el equilibrio entre el bienestar y la calidad de vida.

Sostenibilidad ambiental Los recursos naturales, principalmente agua y energía, el territorio y la biodiversidad son los soportes sobre los que se basa el desarrollo de las actividades humanas; dicha dependencia es evidente en tanto que si los recursos se agotan, el desarrollo de las actividades se paraliza.

La visión solo materialista del mundo ha llevado a buena parte de la sociedad a un irrefrenable nivel de consumo que se ha traducido en un empobrecimiento de los recursos de la bioesfera por un lado y un nivel de contaminación jamás visto por otro.

222


Desde medianos del siglo XX el consumo per cápita de carne, acero, cobre, madera y energía se ha doblado. La adquisición de vehículos y el consumo de cemento se ha cuadriplicado. El uso de plásticos se ha multiplicado por cinco y el aluminio por siete. Tan solo los EE UU, con casi cerca del 5% de los habitantes del planeta, consumen el 25% de los recursos materiales y energéticos de todo el mundo. El cambio climático es un problema global que compete a todos los países, unos por ser causantes directos y otros por ser los que sufren indirectamente las consecuencias. Este efecto también está ligado al ámbito social y económico, por lo que resulta prioritario desvincular el crecimiento económico de las actividades generadoras de gases de efecto invernadero. Aprovechar adecuadamente los recursos naturales, y en el caso de la energía implica fomentar aquéllas de origen renovable, está directamente relacionado con el bienestar de las generaciones futuras.

contraídos con arreglo al mismo, establece que la Unión Europea debe disminuir la emisión de gases de efecto invernadero en más de un 8% con respecto a los niveles de 1990 para el año 2012. Son diversos los problemas relacionados con la contaminación atmosférica, y que manifiestan la insostenibilidad del desarrollo actual: •

•

SOSTENIBILIDAD Y ATMÓSFERA La atmósfera es la capa que cubre la Tierra y que permite la respiración de los seres vivos, protege de la radiación ultravioleta y mantiene la temperatura estable del planeta. La contaminación atmosférica afecta directamente a los seres humanos y a los ecosistemas, aunque es bien cierto que en los últimos años se han realizado esfuerzos encaminados a la protección de la atmósfera, de forma que el aumento de la actividad industrial ha ido asociada a una mejora técnica de los procesos y a la aparición de protocolos y legislación en materia atmosférica: Protocolo de Kyoto (1997), Protocolo de Gotemburgo (1999), Directiva 1999/30/CE relativa a los valores límite de dióxido de azufre y de dióxido de nitrógeno, Directiva 2002/3/CE sobre ozono en ambiente, Real Decreto 1073/2002 de calidad del aire en relación a dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno, óxidos de nitrógeno, partículas, plomo, benceno y monóxido de carbono, etc. La Decisión 2002/358/EC, relativa a la aprobación, en nombre de la Comunidad Europea, del Protocolo de Kyoto de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático y al cumplimiento conjunto de los compromisos

•

•

Cambio climático. La Tierra emite la radiación absorbida, pero una parte queda retenida en las capas bajas. El dióxido de carbono y el vapor de agua son los dos compuestos con mayor capacidad para absorber la energía radiante y devolverla a la superficie terrestre manteniendo la temperatura óptima del planeta; si la concentración de estos dos compuestos en la atmósfera es muy elevada, conforman el fenómeno conocido como efecto invernadero, con el consiguiente aumento de la temperatura global. Destrucción de la capa de ozono. El ozono estratosférico es el responsable de absorber una parte de la radiación ultravioleta que llega a la Tierra. La emisión de compuestos clorados y bromados (tetracloruro de carbono, metilcloroformo, halones, etc.) reducen la concentración de ozono estratosférico, aumentando la radiación solar que llega a la superficie terrestre. Acidificación. La acidificación es la pérdida de la capacidad neutralizante del suelo a causa de los óxidos de azufre y nitrógeno provenientes de la atmósfera, en episodios de lluvia, nieve y niebla. El fenómeno de la acidificación afecta a seres vivos, suelos, vegetación, monumentos y edificios, etc. Los gases causantes de la acidificación pueden tener efectos a escala global, desplazándose por la atmósfera y afectando a territorios alejados de los puntos de emisión. Eutrofización. El nitrógeno y el fósforo son dos compuestos fundamentales para las plantas, pues se encuentran en los nutrientes. La eutrofización es la acumulación de estos dos compuestos, causando un efecto adverso sobre los ecosistemas al provocar un desarrollo excesivo de las algas y un empobrecimiento de oxígeno. Son causantes de la eutrofización los óxidos de nitrógeno


y el amoniaco. Como en la acidificación, la eutrofización tiene carácter transfronterizo. Existen otros efectos adversos causados, directa o indirectamente, por la contaminación atmosférica: modificación del nivel del mar, cambios en los usos del suelo, variación del régimen pluviométrico, cambio en el ciclo de vida de los organismos, etc. La contaminación atmosférica está directamente relacionada con la economía, ya que muchos de los problemas expuestos anteriormente se derivan del uso de los combustibles fósiles. Cualquier medida destinada a paliar la contaminación atmosférica implica el fomento del uso de las energías de origen renovable y el desarrollo de tecnologías energéticamente más eficientes. También es cierto que, además de la industria, existen otras actividades contaminantes: agricultura intensiva, tráfico, sistemas de aire acondicionado, vertederos de residuos orgánicos, etc. Madrid registra mayores emisiones de nanopartículas, producidas por los medios de transporte, que ciudades como Boston o México DF, según revela un estudio elaborado por investigadores de la Universidad de Alcalá (UAH) que recoge el Servicio de Información y Noticias Cientificas (SINC). En este sentido, los autores señalan que esto se debe a que en la capital de España circula un «elevado porcentaje de coches diesel» (un 50% en 2006), que son una de las principales fuentes de emisión de estas partículas perjudiciales para la salud. Por el contrario, en Boston se producen pocas emisiones de este tipo, porque casi todos los vehículos que circulan son de gasolina. Otra de las fuentes de las que proceden estas partículas son los superpolluters, medios de transporte muy contaminantes debido a su mal estado o mala combustión. Así, el informe revela que la eliminación de los superpolluter podría reducir hasta un 25% la concentración de superficie activa total (TAS) de nanopartículas, y hasta un 48% la concentración de hidrocarburos aromáticos policíclicos adsorbidos sobre estas (PPAH). El informe, publicado en la revista Atmospheric Environment, señala que las partículas nanométricas están implicadas en el desarrollo de varias enfermedades, pues su reducido tamaño les permite infiltrarse en el cuerpo humano sin ser detectadas por el organismo. Incluso, expertos aseguran que

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si se produce una exposición continuada y prolongada a estas partículas podrían producir cáncer. A pesar de que en muchas ciudades, como México DF, aún abundan los superpolluters, el informe revela que durante los últimos seis años la contaminación de nanopartículas se ha reducido casi un 65%, debido a las mejoras que han incorporado los nuevos vehículos para cumplir las normativas europeas.

SOSTENIBILIDAD: AGRICULTURA Y GANADERÍA Los avances en informática y robótica en las explotaciones agrícolas y ganaderas no han hecho más que empezar. El estado de Israel, prácticamente desde su creación, lleva experimentando para el desarrollo de una agricultura productiva a partir de un desierto o de tierras salinizadas. Como ejemplo el Institute of Agricultural Engineering y la universidad de Perdue han desarrollado un recolector automático de melones. El cosechador puede ser empleado para transplantar, cultivar y cosechar productos tanto de geometría esférica como cilíndrica. El artilugio, denominado ROMPER (Robotic Melon Picker) se halla montado sobre una estructura móvil y equipado con cámaras que analizan las hileras de plantas mientras un soplador aparta las hojas para poner el fruto a la vista. La cámara conectada al ordenador la analiza y decide si hay que recolectarla. El ROMPER también dispone de un sensor olfativo para calibrar la madurez del fruto. Otros sensores especiales detectan los niveles de emisión de etileno, compuesto hidrocarburo, que da el nivel de maduración. El robot valora toda la información y procede en consecuencia. En este sentido, un investigador del departamento de agricultura de la universidad de Illinois (EE UU), pronostica que las granjas del Medio Oeste americano, con el tiempo, funcionaran como una fábrica robotizada japonesa. Así, el ordenador, durante la noche, analizará la climatología, la humedad del terreno, la necesidad de fertilizantes, de pesticidas, los precios de los mismos y de los productos del campo en el mercado, etc. Asimismo los sensores nasales ubicados en las orejas habrán analizado el estado fisiológico de los animales de la granja, comprobando si han funcionado correctamente los comedores o los sistemas de bebida.

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La cantidad de pienso injerido ha sido procesado. Por descontado, también se ha registrado los parámetros de funcionamiento del edificio, humedad y temperatura, luz, ventilación, extracción de excrementos, etc. A finales de la década de 1990, tan solo entre el 15 y el 25% de los directivos de explotaciones agrícolas, en EE UU, empleaban ordenadores como elementos habituales de trabajo. Sin embargo, los expertos aseguran que antes de veinte años la mayoría de las explotaciones agrícolas y ganaderas serán informatizadas y la gestión se llevará a cabo como, en la actualidad, es normal en las fábricas. El Virginia Tech (EE UU) ha desarrollado el CROPS (Crop Rotation Planning System) para asistir a los granjeros en el cálculo del riesgo de erosión de la tierra y de lixiviación y escorrentía de nutrientes y pesticidas. El soft proporciona datos tan trascendentales como la irrigación, por zonas y franjas horarias, la aplicación de nutrientes, la siembra, el control de insectos y la aplicación de herbicidas. La aplicación de la tecnología redundará en la gestión ecológica y sostenible del sector primario.

SOSTENIBILIDAD Y RECURSOS HÍDRICOS La escasez de agua, recurso dependiente de las condiciones climáticas, supone un serio problema para algunos países, que pueden ver de esta forma limitado su desarrollo. A la escasez se une su poca capacidad de autodepuración. La Estrategia Europea de Desarrollo Sostenible establece que la gestión del agua es uno de los principales retos a corto y medio plazo. En el caso particular de España, la gran diversidad climática provoca una gran diferencia en el régimen pluvial entre la zona norte y la meridional; además, el problema se ve agravado por el incremento demográfico en las zonas costeras mediterráneas. Posibles soluciones a la escasez de agua son el aprovechamiento de aguas subterráneas (lo que puede suponer un problema a causa de la salinización del terreno por el fenómeno de la intrusión marina), la aplicación de nuevas técnicas de desalinización de aguas marinas y salobres, y la reutilización de aguas residuales. En desalinización el factor limitante de su uso es el coste económico, aunque en los últimos años es cierto que el

aumento de la eficiencia energética y las mejoras tecnológicas de los equipos empleados han reducido significativamente estos costes. En cambio, la reutilización del agua solo depende del número de estaciones depuradoras y de la capacidad de tratamiento de las aguas recibidas. Desde el punto de vista de la sostenibilidad, interesa conocer la capacidad de almacenamiento de agua en presas y embalses, para poder hacer frente a posibles periodos de sequía y restricciones en función de la disponibilidad de agua. Esta disponibilidad no solo depende del agua almacenada, sino que también debe tenerse en cuenta la generada a partir de los procesos de desalinización y reutilización. Los usos que se dan al agua actualmente son, principalmente, agricultura, consumo humano, uso doméstico, industria y producción energética. A regadío, en España se destina más de un 65% del agua total empleada; en cambio, en los países nórdicos de la Unión Europea el principal uso es la refrigeración con fines energéticos. Otros parámetros que afectan directamente a la sostenibilidad de los recursos hídricos son los cultivos energéticos, grandes consumidores de agua, en especial en zonas semiáridas. Las pérdidas ocasionadas en las conducciones pueden llegar a representar el 40% del total del abastecimiento. Otro inconveniente, y no menos importante por menos conocido, es el de la poca capacidad de autodepuración del agua como consecuencia de la contaminación de los terrenos causados por los vertidos industriales y urbanos. La contaminación de las aguas puede generar procesos de eutrofización, incrementando significativamente la población acuática. También es significativa la contaminación de aguas freáticas, que solo en España abastece al 30% de la población, y que viene causada por el excesivo empleo de plaguicidas y fertilizantes, y por el vertido incontrolado. Además, si la extracción de aguas freáticas es superior a su capacidad de reposición se producen efectos de intrusión marina, disminuyendo la calidad del recurso. Este problema se acrecienta en zonas costeras, donde converge la actividad agrícola y la cercanía del litoral marino. El olivar jienense utiliza un 50% más de la materia activa que necesita, ya sea a través de pestici-


das o abonos, lo que potencia la erosión del suelo. Los expertos señalan que se pierde, de media, una tonelada de tierra fértil por hectárea y año de suelo. Los datos del informe ponen de manifiesto que las consecuencias de esta situación no son nada buenas, puesto que las aguas se contaminan y los seres vivos, incluidos los humanos, se vuelven más vulnerables ante enfermedades y plagas. Por ejemplo, el verticillium se hace resistente en el olivo, mientras que las alergias afectan más a la población por el debilitamiento de sus sistemas inmunes. En Europa, en su conjunto, el 44% de la captación de agua se emplea para la producción de energía, el 24% para la agricultura, el 21% para el abastecimiento público y el 11% para actividades industriales. Estas cifras presentan importantes diferencias con las existentes en el sur de Europa, en particular en España, donde la agricultura representa el 60% del total del agua captada, llegando hasta el 80% en ciertas zonas. Cataluña cuenta con 3,1 millones de hectáreas de las que casi un millón son de cultivo, de las cuales el 8,6% son de regadío, una cifra baja en comparación con el secano, que ocupa el 27% del territorio. El 77% del cultivo regado en Cataluña está usando sistemas obsoletos, como la inundación. En Cataluña cae una precipitación entre 300 y 700 litros por metro cuadrado, de manera irregular y mal repartida. No obstante, se necesita una media de 5.000 litros al día para producir los alimentos que comen una familia de cuatro personas al día. Ello equivale a 2.200 hectómetros cúbicos de agua. Cataluña solo produce el 40% de lo que consume. La Tabla 17.6 muestra el consumo hídrico para el cultivo de algunos alimentos.

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SOSTENIBILIDAD Y TERRITORIO En el concepto de desarrollo sostenible, la gestión y preservación del territorio es muy importante por cuanto el suelo es soporte de las actividades humanas y de la biodiversidad, además de ser fuente de materias primas imprescindibles. El suelo resulta un recurso vital desde el punto de vista socioeconómico, cultural y ambiental, y es destacable la dificultad de su renovación a causa de la lentitud de su formación, además de la degradación que puede sufrir a causa de la gestión incontrolada de vertidos y de posibles episodios de desertización. El diagnóstico de la sostenibilidad del suelo incluye el fenómeno de la erosión, favorecida por la ausencia de cubierta vegetal en el terreno. La climatología adversa, la progresiva urbanización en terrenos fértiles y la elevada productividad agrícola posibilitan la erosión de los terrenos. En España son muy significativos los efectos de la erosión hídrica, manifestándose en forma de barrancos, regueros o cauces torrenciales. También es muy importante valorar el fenómeno de la desertificación, o transformación de las tierras fértiles en zonas áridas, a causa de las condiciones climáticas y, principalmente, de las actividades antropológicas que suelen actuar como agente desencadenante. La desertificación se manifiesta en forma de tierras degradadas provocando declives económicos a corto y medio plazo. La sostenibilidad del suelo tiene en cuenta una serie de indicadores de tipo físico y biológico: índice de aridez, sobreexplotación de acuíferos, erosión e incendios reiterados. El análisis global de esta información permite establecer prioridades y poder encontrar soluciones acordes a los problemas hallados.

SOSTENIBILIDAD Y BIODIVERSIDAD Tabla 17.6. Consumos hídricos de algunos alimentos. Producto 1 kg de patatas 1 kg de tomates

Litros de agua 100 140

1 kg de trigo

1.000

1 kg de arroz

2.000

1 kg de carne de ave

4.500

1 kg de carne de vacuno

14.000

La biodiversidad se define como la variabilidad de organismos vivos de cualquier fuente, incluidos ecosistemas terrestres y marinos, y otros ecosistemas acuáticos y los complejos ecológicos de los que forman parte. Por otra parte, un ecosistema es un complejo dinámico de comunidades vegetales, animales y de microorganismos y su medio no viviente que interactúan como una unidad funcional.

226


El Convenio sobre Diversidad Biológica (Río de Janeiro, 1992) tiene los objetivos de la conservación de la diversidad biológica, la utilización sostenible de sus componentes y la participación justa y equitativa en los beneficios que se deriven de la utilización de los recursos genéticos, mediante un acceso adecuado a esos recursos y una transferencia apropiada de las tecnologías pertinentes, teniendo en cuenta todos los derechos sobre esos recursos y a esas tecnologías, así como mediante una financiación apropiada. El desarrollo sostenible promueve la utilización de componentes de la diversidad biológica de un modo y a un ritmo que no ocasione la disminución a largo plazo de la diversidad biológica, con lo cual se mantienen sus posibilidades de satisfacer las necesidades y las aspiraciones de las generaciones actuales y futuras; además, la biodiversidad se considera fuente de beneficios, por lo que fomentar su uso con criterios de sostenibilidad económica, social y biológica es una alternativa de progreso para cualquier sociedad. Uno de los problemas asociados a los países del primer mundo es que el desarrollo económico influye directamente en el deterioro del medio natural, de los recursos y de la pérdida de diversidad biológica. Otro factor significativo es el deterioro de la calidad del aire y del agua, lo que contribuye a la pérdida de la biodiversidad. Para paliar esta pérdida se desarrolló el Convenio sobre Diversidad Biológica, firmado en el año 1992 en Río de Janeiro, estableciendo estrategias y planes para evitar el deterioro y la pérdida de la diversidad biológica, entre los que destacan: • • •

Definir espacios protegidos. Recuperar las especies amenazadas. Implicación de los sectores privados en la preservación de la biodiversidad.

En España, las comunidades autónomas también han elaborado planes propios que han desarrollado en paralelo, junto con la legislación española (Ley 4/1989, de 27 de marzo, de Conservación de los Espacios Naturales y de la Flora y Fauna Silvestre; Real Decreto 439/1990, de 30 de marzo, por el que se regula el Catálogo Nacional de Especies Amenazadas) y la europea (Directiva 92/43/CEE del Consejo, de 21 de mayo de 1992, relativa a la conservación de los hábitats naturales

y de la fauna y flora silvestres; Directiva 79/409/ CEE del Consejo, de 2 de abril de 1979, relativa a la conservación de las aves silvestres). En todo el mundo, la actividad del hombre está deteriorando el desarrollo sostenible de la biodiversidad, provocando incluso la desaparición de ciertas especies. Las causas pueden ser diversas: • • • • •

Mal uso del suelo. Planes de urbanización incorrectos. Técnicas agrícolas poco respetuosas con el medio natural. Construcción indiscriminada de redes viarias. Destrucción de los hábitats naturales.

España es uno de los países de la UE que peor conservan su biodiversidad, según el primer informe presentado por la Comisión Europea, pues tan solo el 1% de sus hábitats amenazados y el 12% de sus especies están bien conservados. Además, es el país de la UE-25 que menos datos ha proporcionado, pues ni siquiera dispone de información para el 64% de sus hábitats y para el 44% de sus especies.

SOSTENIBILIDAD Y ESPACIOS NATURALES Los espacios naturales son el soporte de los recursos naturales: combustibles fósiles, bosques, mares y océanos, etc. Su aprovechamiento desmesurado suele dar lugar a un panorama cambiante y a una pérdida constante del paisaje. El agotamiento de muchos recursos importantes para las actividades humanas, a consecuencia de su dilapidación o de su destrucción, fruto de comportamientos depredadores orientados a la búsqueda de beneficios particulares a corto plazo, constituye uno de los principales problemas de la actual situación de emergencia. Para garantizar el desarrollo sostenible de los recursos naturales se contemplan los siguientes aspectos: • •

•

Uso correcto del territorio, de los sistemas naturales y de las superficies forestales. Análisis sistemático de los espacios naturales para evaluar su protección y conservación. Minimizar la generación de la contaminación atmosférica.


En el caso particular de España, la superficie forestal (esta definición también incluye extensas zonas de matorrales y áreas desarboladas) es de un 52% del territorio, superior a la existente en Países Bajos (10%), Alemania (31%), Noruega (39%) o Austria (48%). La fragilidad de esta superficie obliga a buscar instrumentos de protección que garanticen su preservación y desarrollo sostenible. Por ejemplo, en España, los inventarios forestales nacionales cuantifican las superficies arboladas y las

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desarboladas, pudiendo estudiar cómo varían y a qué factores atribuirlos: reducción o envejecimiento poblacional de algunas zonas, transformación de la sociedad rural, ganadería extensiva, etc. Las principales amenazas que ponen en peligro la supervivencia de los sistemas naturales son la contaminación atmosférica, las plagas y los incendios forestales, naturales o provocados, principal amenaza para la conservación de los bosques, ámbito en el que se localizan buena parte de los ecosistemas.

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Bibliografía. Parte II Agencia Europea del Medio Ambiente. Environmental Assesment. Report nº 2. 1999. Betz M. PVC Recovery options: Environmental and economic systems analyses. COST ACTION 530 Training School on ‘Waste Management and LCA’ in Schopool (Bulgaria), 2005, Septiembre. Bolufer P. Sumideros de CO2. Revista RIMA. 2008. Díaz A, Ramos A. La práctica de las estimaciones de impactos ambientales. Madrid, Fundación Conde del Valle de Salazar. ETSIM. 1987. Domenech X, Rieradevall,J. Aprofitament energètic dels residus en abocadors. Barcelona, ICAEN. 1995. Elias X. La gestión de residuos a debate interdisciplinar. Bilbao, Ed. Ategrús. 1994. Elias X. Reciclaje de residuos industriales. 2º edición. Madrid, Ediciones Díaz de Santos, 2009. Fullana P, Puig, P. Análisis del Ciclo de Vida. Barcelona. Ed. Rubes. 1998. Fullana P, Puig, R. Análisis del ciclo de vida, Barcelona, Ed. Rubes, 1997. Guías MOPU. Metodologías para la elaboración de estudios de impacto ambiental. Madrid. Ministerio Obras Públicas. 2000. http://service.eea.eu.int/envirowindows. ICC (Cámara Internacional de Comercio). Environmental auditing. París. 1988. Instituto Cerdá. Manual de minimización de residuos y emisiones gaseosas. Vol I, II y III. Ed. Ingoprint, SA. 1992. ISO 14001 Sistemas de gestión medioambiental. Especificaciones y directrices para su utilización. 1996. Laforga M. La gestión de residuos: Una necesidad que puede ser un negocio. Madrid. IMPI. Ministerio de Industria. 1991 Puig R, Milá L, Fullana P. Què és una ACV?: metodologia” En: Puig R. (ed.) Llibre didàctic d’anàlisi del cicle de vida (ACV), Barcelona, Xarxa Temàtica Catalana d’ACV y Departament de Medi Ambient (Generalitat de Catalunya), 2002. Rifkin J. El fin del trabajo. Ed. Paidós. 1994. Veleva V, Ellenbecker M. Indicators of sustainable production: framework and methodology. J. of Cleaner Production, 2001, 9 pp. 519-549 Von Weizsäcker EU, Lovins LH, Lovins AB. Factor 4. Barcelona. Círculo de Lectores. 1997 Wilcox BA. Defining sustainable development. Environ. Sci. Technol, 1992, vol. 26, nº 10, p. 1902.

III ENERGÍA Y TRANSPORTE

El transporte absorbe el 30 % de la energía primaria mundial, consumiendo mayoritariamente productos fósiles, y es el responsable del 80% de la contaminación en las ciudades, tanto por emisiones como por ruido. Se calcula que debido a estas pueden morir 26.000 y 16.000 personas en Madrid y Barcelona anualmente. La mayor parte del transporte dentro de la UE se realiza por carretera, con el 44 % del total del transporte de mercancías y aproximadamente el 85 % del total de pasajeros y su previsión de crecimiento entre el 2000-2020 es del 52% en mercancías y del 35% en pasajeros. El motor de explosión tiene una eficiencia efectiva muy baja y el transporte público está poco alentado y desarrollado. La legislación ambiental y la fiscalidad van a condicionar, en un futuro próximo, a los vehículos y al transporte en general, tanto por lo que hace referencia al consumo como en los aspectos ambientales. Los biocarburantes parecen una solución complementaria a la tradicional pero también tienen graves deficiencias. Los coches híbridos parecen una solución transitoria, pero el futuro de la automoción se encamina hacia los coches eléctricos, la pila de combustible o híbridos eléctricos reforzados con pila de combustible. En todos los casos, ya sea la energía eléctrica, el hidrógeno, o el metanol, el problema está en la fuente de energía renovable que permita su obtención. El problema de la energía eléctrica, hidrógeno, metanol, etc., está en encontrar la fuente de energía renovable que permita su obtención. Se realiza una previsión de la movilidad y consumo energético en 2040. A pesar de las numerosas mejoras propuestas de eficiencia de los distintos modos de transporte, el consumo energético crece un 15 %, y los productos petrolíferos solo disminuyen un 11%. Se consume mucha energía y sobretodo mucho petróleo, por lo que deberán buscarse aún más alternativas, potenciar la derivación del transporte de mercancías hacia modos más eficientes y la intermodalidad, utilizar con mayor profusión combustibles alternativos, e incluso controlar y restringir la movilidad en algún caso.

Índice III: ENERGÍA Y TRANSPORTE 18. El sector transporte. Aspectos ambientales y energéticos del transporte ..............................................231 • Introducción ..............................................................231 • El sector transporte en Europa. Presente y evolución ...................................................................235 • Transporte y energía ..................................................238 • Transporte y medio ambiente: un dilema sin resolver ......................................................................241 19. Diversas modalidades de transportes .............................243 • Introducción ..............................................................244 • Transporte por carretera. El automóvil y otros transportes por carretera ............................................244 • Transporte aéreo ........................................................250 • Transporte por ferrocarril ..........................................256 • Transporte marítimo y fluvial ....................................262 20. Modelo actual. Sostenibilidad ambiental del transporte .................................................................271 • Introducción ..............................................................272 • Contaminantes específicos del transporte .................276 • Los nuevos carburantes .............................................280 • El consumo específico de los vehículos y la generación de CO2 .....................................................282 • Automóviles y residuos .............................................285 • Automóvil, reciclaje y contaminación ......................286 • Medidas para paliar la contaminación del tráfico......287 • Transporte y emisiones de CO2 .................................296 21. Impacto ambiental y sostenibilidad del transporte a medio plazo....................................................................299 • Introducción ..............................................................299 • Transporte y salud .....................................................300 • El ruido del tráfico .....................................................302 • Automóvil, carburantes y futuro a corto plazo ..........302 • Los impuestos en los carburantes ..............................303 • El automóvil del futuro a largo plazo ........................306

22. La eficiencia energética del transporte. Alternativas .....309 • Introducción ..............................................................309 • Alternativas de eficiencia energética en el transporte ...................................................................313 • Alternativas de eficiencia energética a medio plazo ...............................................................313 • Vehículos eléctricos híbridos .....................................315 • Funcionamiento del motor híbrido básico .................322 • Vehículos a gas natural ..............................................325 • Resumen de rendimientos .........................................329 23. Las pilas de combustible................................................333 • Introducción ..............................................................333 • El hidrógeno como combustible ................................334 • La producción de hidrógeno ......................................335 • Almacenamiento y transporte de hidrógeno..............340 • Transporte y distribución de hidrógeno.....................344 • Las pilas de combustible en la automoción ...............346 • Comportamiento ideal de la pila de combustible ......350 • Eficiencia de las pilas de combustible .......................351 • Ventajas y futuro de las pilas de combustible ...........356 24. Los carburantes de segunda generación ........................361 • Introducción ..............................................................362 • Biocarburantes: problemas asociados a la producción y legislación............................................364 • Introducción a los combustibles de segunda generación .................................................................382 • Ciclo del biocarburante .............................................394 25. El transporte del futuro ..................................................397 • Introducción ..............................................................397 • Recomendaciones del Consejo Europeo sobre el Transporte ..................................................................401 • La etiqueta ecológica en el transporte .......................401 • El transporte en España de 2040. Consumo de energía ..................................................................401 BIBLIOGRAFÍA. PARTE III ..............................................417

El sector del transporte. Aspectos ambientales y energéticos del transporte

18

EL TRANSPORTE EN LA UE CONSUME EL 30% DE LA ENERGÍA FINAL, Y DEPENDE DEL PETRÓLEO EN UN 98%. •

• • • • • •

La mayor parte del transporte dentro de la UE se realiza por carretera, con el 44% del total del transporte de mercancías y aproximadamente el 85% del total de pasajeros. En términos globales en la UE-15, durante el periodo 1995-2004 el transporte de mercancías creció un 28% y el de pasajeros un 18%, del cual el transporte por carretera creció un 35% y un 17%, respectivamente. Para la EU-25, entre 2000-2020 estos valores ascenderán al 52% y 35%, de los que el transporte por carretera supondrá el 55% en mercancías y 36% en automóvil para los pasajeros. El transporte absorbe el 30% de la energía final. La mayoría del transporte se efectúa por carretera, y es fuertemente dependiente del petróleo, el 98% en la UE. El transporte representa casi el 71% del total del consumo de petróleo de la UE, el 60% de este corresponde al transporte por carretera. La UE depende de las importaciones en energía del orden del 50%, y pueden alcanzar el 70% en 2030. El transporte por carretera en la UE es el responsable del 28% de emisiones de CO2, el 87% de CO, el 66% de NOx y el 7% de SOx. La UE va a imponer un límite de emisión a los fabricantes de automóviles de 120 g de CO2/km (lo que equivale, aproximadamente, a un consumo de 6,7 litros/100 km) para 2012. La Comisión Europea ha publicado el Libro Blanco en 2001, su revisión en 2006, así como otros documentos, Libro Verde, el Programa Galileo, en que realiza previsiones sobre el transporte, el consumo de energía y emisiones en el horizonte de 2020-2030 y propone una batería de programas de actuación, entre ellos el aprovechamiento intermodal de los distintos modos de transporte de las mercancías, la competitividad, diversificación de abastecimiento y tipos de energías, transporte público, etc.

Introducción En los países industrializados el consumo de energía se divide casi en partes iguales entre la industria, el transporte y el sector terciario. Así,

las estadísticas sobre el consumo en el sector del transporte varían con las fuentes pero, por término medio, y a escala mundial, se puede afirmar que en

232


2007 el transporte absorbía alrededor del 30% de la energía primaria. En la Figura 18.1 se muestra, según la Comisión Europea, el reparto del consumo de energía final en la UE-25 en el año 2005, sobre un total de 1.135 Mtep. Estos valores son muy próximos a los de Eurostat de 2004 (sobre un total de 1.140,9 Mtep, con un 27,9% a la industria, un 30,7% al transporte y un 41,3% al residencial, comercial y otros). Este consumo se realiza en su mayor cuantía debido al transporte por carretera, aunque también el transporte marítimo, por la gran cantidad de mercancías y las largas distancias a las que las

traslada, representa un valor importante. En la Figura 18.2 se muestra la distribución en porcentaje del transporte de las mercancías de la UE-25 según datos de la AEMA (Agencia Europea del Medio Ambiente) para el año 2005. Se debe incidir en que en el sector del transporte casi todo el combustible utilizado es de origen fósil, en su mayor parte, el 98%, de petróleo. Además esta tendencia en un mundo cada vez más globalizado, con continuas mejoras en infraestructuras y de los distintos medios de transporte, da lugar desde hace más de 50 años a un aumento creciente del transporte de mercancías y de pasa-

Figura 18.1. Distribución del consumo de energía por sectores en la UE-25 en el 2005. (Fuente: Comisión Europea).

Figura 18.2. Distribución de mercancía según tipo de transporte en 2005.

jeros, tanto a escala local como mundial. En esta línea de razonamiento la Figura 18.3 presenta, en valores absolutos, la evolución del transporte de viajeros y de mercancías de la UE-15 durante 30

años. A destacar la importancia del automóvil en el transporte de pasajeros y el transporte de mercancías por carretera, ambos con su imparable crecimiento, así como el transporte marítimo de


mercancías y también el ritmo creciente del transporte aéreo, que continúa actualmente, y el casi nulo crecimiento y poca importancia relativa del ferrocarril. Con un rápido análisis de las tres figuras anteriores se puede calibrar la importancia del sector del transporte y su crecimiento desde cualquier punto de vista, social, económico y desde luego energético. En España el consumo de energía final por sectores mostraba que el sector del transporte incidía en valores entre el 37 y 39% en los últimos años, véase Figura 18.4 y 18.6 más adelante, mientras que la industria, que tradicionalmente era la de mayor consumo, gracias a la mejora en eficiencia pasaba

233

a un segundo lugar y a cierta distancia, con valores en torno al 30-34%. La figura anterior muestra a su vez los valores absolutos de la energía final consumida, total y por el transporte, en millones de tep. Esta información se complementa con la de la Figura 18.5, que destaca cómo la energía final consumida por el transporte se concentra aproximadamente el 80% en la carretera, por encima de lo que ocurre en la UE-25. Anteriormente se ha comentado la importancia del petróleo en el transporte en Europa, que se sitúa alrededor del 98% del combustible que consume este sector. Esta afirmación puede observarse también en España de una forma gráfica e intuitiva

Figura 18.3. Evolución de transporte de viajeros y mercancías de la UE15 entre 1975 y 1999. (Fuente: Libro Blanco: La política europea de transportes de cara al 2010: la hora de la verdad).

Figura 18.4. Evolución del consumo de energía final del Transporte en España. (Fuente: Ministerio de Industria, Turismo y Comercio)

234


mediante la Figura 18.6 del diagrama de Sankey sobre el balance de la energía primaria y final en España en 2008. Hay que remarcar que el diagrama de Sankey tiene la ventaja de que además de mostrar los flujos de cada tipo energía, se indica su magnitud mediante el grosor de los mismos. En efecto, en esta figura se indica, por ejemplo, que se importan 68.110 kTep de petróleo, el 47,9% de la energía primaria en España, del que pasan a consumo final 59.648 kTep, y de estos van 39.000 kTep directamente al sector del transporte. Por tan-

to, estos valores muestran que el transporte consume el 57,3% del petróleo importado o el 65,4% del petróleo de uso final. También se indica que el sector del transporte consume una energía final de 39.926 kTep (el 37,4% de la toda la energía final, en línea de la información de la Figura 18.4), de los cuales 39.000 kTep provienen del petróleo, lo que representa el 97,7%, valor con que se iniciaba éste párrafo. De la visualización de la Figura 18.6, pueden sacarse inmediatamente la importancia de las ac-

Figura 18.5. Evolución del consumo de energía final del transporte en España por modos de transporte (Fuente Ministerio de Industria, Turismo y Comercio e IDAE).

Figura 18.6. Diagrama de Sankey del consumo de energía en España en 2008 (Fuente SEE).


ciones que aporten una disminución del consumo energético del sector del transporte y la sustitución del petróleo por otro combustible, sobre todo si este es renovable. La Figura 18.6, puede a su vez compararse con la Figura 2.7, del Capítulo 2 que hacía referencia al consumo de energía primaria en el 2006, y en la que se indicaba un consumo de 71.067 kTep de petróleo (el 49% de la energía primaria), valor muy próximo a los 68.110 kTep y del 47,9% del 2008. En estos dos años hay pocas diferencias, una ligera disminución de unos 3.016 ktep en energía primaria y unos 807 ktep en energía final a pesar del incremento de población. La trascendencia del transporte en una familia, desde el punto de vista económico, según el Instituto Nacional de Estadística (INE) en datos de 2004, representa el 13,7% del presupuesto familiar. Al igual que ocurre en España y en muchos de los países industrializados, es el sector del trans-

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porte el de mayor consumo de energía final y se considera una fuente de gran parte de las emisiones contaminantes. Así en España el transporte, solo por carretera, genera el 23,4% de todas las emisiones, por delante de la que emite la producción de electricidad, con el 21,7%. La relevancia del sector del transporte y el aumento continuado de su uso hace difícil incidir en su control. Las regulaciones que intentan reducir el consumo del transporte y el impacto de sus emisiones se circunscriben a obligaciones de eficiencia, al uso de catalizadores en los vehículos, impuestos a los fabricantes y a la composición de los carburantes. Queda, por ejemplo, fuera del mercado de emisiones de efecto invernadero que se puso en funcionamiento en 2005, y que sí afecta a la industria y a la generación eléctrica. En términos ambientales es una flagrante contradicción que el mayor consumidor de energía no se halle regulado directamente por el Protocolo de Kyoto.

El sector del transporte en Europa. Presente y evolución Órganos del Comité Europeo, como la Comisión y su Dirección General de Energía y Transportes, editaron en 2001 el Libro Blanco «La política europea de transportes de cara al 2010: la hora de la verdad», que constituye una directriz de la problemática del transporte en Europa. Este documento refleja la evolución del sector del transporte alrededor de veinte años y lo proyecta hasta más allá de 2010. Desde su publicación han aparecido muchos otros informes que lo complementan, como su revisión intermedia publicada en 2006, el Libro Verde para la eficiencia energética de junio de 2005, el Libro Verde sobre la política marítima (2006), el Libro Verde sobre el transporte urbano en 2008, etc. En estos textos se hace eco de la demanda de transporte cuyo aumento supera el crecimiento de la economía, y representa la respuesta de la Comunidad, que no puede circunscribirse a ser tan solo la construcción de nuevas infraestructuras y la apertura de los mercados. El doble imperativo que el Consejo Europeo de Gotemburgo había suscrito, la ampliación y el desarrollo sostenible, imponía una mejora del sector de los transportes. Así,

el sistema de transporte moderno debe ser sostenible desde un punto de vista económico, social y medioambiental. Al esbozar el porvenir de este sector, era preciso ser consciente de su importancia económica. Todos los gastos de este sector representan más del 10% del producto interior bruto y da empleo a más de diez millones de personas. En el Libro Blanco se propone reforzar: • •

• •

La calidad del transporte por carretera. Revitalizar el ferrocarril, garantizando la apertura progresiva del mercado ferroviario europeo y, entre otras, apoyar nuevas infraestructuras de carriles ferroviarios referentes al transporte de mercancías. Controlar el crecimiento del transporte aéreo. Adaptar el transporte marítimo y fluvial a fin de desarrollar auténticas autopistas del mar y mejorar la situación del transporte fluvial.

En conjunto, se pretende vincular los distintos modos de transporte, suprimir los puntos de estrangulamiento, realizar una política de transportes al servicio de los usuarios, con especial énfasis en

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la seguridad, y gestionar los efectos de la mundialización de los transportes. Con estos antecedentes, en la revisión del Libro Blanco de 2006, se expone que el objetivo a perseguir es garantizar una movilidad sostenible en Europa, que según las previsiones hasta 2020, habrá un crecimiento de alrededor del 52% en el transporte de mercancías y del 35% en el de pasajeros. Para poder hacer frente a este desafío se incide que se deben eliminar los efectos negativos de la movilidad, impulsando no solo la innovación tecnológica y el cambio modal hacia unos modos de transporte menos contaminantes y de menor consumo energético (especialmente en las distancias largas y en las ciudades), sino también, y sobre todo, en la combinación óptima de los diferentes modos en la cadena de transporte, que es la solución de futuro para el transporte de mercancías. Como se ha comentado, el transporte representa el 30% del consumo de energía total de la UE con una dependencia del petróleo en un 98%. Su elevado coste influye en el mismo sector del transporte, y también en todos los otros, y por tanto deben estimular la mejora de la eficiencia energética, la diversificación de las soluciones de suministro y las políticas centradas en la demanda, todo ello apoyado por tecnologías nuevas e innovadoras. En dicho documento también se incide en que la política de transporte debe integrar los compromisos internacionales en materia de medio ambiente, entre ellos los incluidos en el Protocolo de Kyoto. Las emisiones de CO2 constituyen un reto, en tanto que la calidad del aire, la contaminación acústica y el uso del suelo requieren una atención continua. En la revisión del Libro Blanco, realizada en 2006, se indicaba que el crecimiento del transporte de mercancías dentro de la UE era del 2,8% anual, que se ajustaba, en líneas generales, a la tendencia del crecimiento económico, que fue del 2,3% por término medio en el periodo 1995-2004. El transporte de pasajeros creció a un ritmo del 1,9%, menor del previsto. En términos globales, durante el periodo 1995-2004 el transporte de mercancías creció un 28% y el de pasajeros un 18%, mientras que el transporte por carretera creció un 35% y un 19%, respectivamente. La tasa de crecimiento del transporte marítimo de corta distancia fue casi idéntica. El transporte de mercancías por ferroca-

rril en los estados miembros que abrieron pronto el mercado ferroviario presentó un incremento mayor que en otros países. En términos globales, el transporte de mercancías por ferrocarril creció un 6% en 1995-2004. El transporte de pasajeros por ferrocarril había crecido considerablemente (si bien no con tanta rapidez como los otros modos) y casi una cuarta parte podía atribuirse a los trenes de alta velocidad. En el transporte aéreo, gracias en parte a la liberalización iniciada ya a finales de la década de los ochenta, en el interior de la UE creció en más del 50% en el periodo 1995-2004, pese a la disminución posterior a los atentados del 11 de septiembre. En Europa el transporte por vías navegables interiores registró un fuerte crecimiento en algunos estados miembros en el último decenio (el 50% en Bélgica; el 30% en Francia). La mayor parte del transporte dentro de la UE se realizaba por carretera, modo que representa el 44% del total del transporte de mercancías y aproximadamente el 85% del de pasajeros. Los factores inherentes a la demanda, como la reducción del transporte pesado y la importancia creciente de los servicios puerta a puerta y con plazos muy breves, había contribuido sin ningún género de dudas al fuerte crecimiento sostenido del transporte por carretera. Las partes correspondientes al transporte por ferrocarril eran del 10% en mercancías y del 6% en pasajeros. Entre las principales tendencias estructurales destacaba el hecho de que el transporte de mercancías por ferrocarril había frenado su declive relativo desde 2001 y en varios estados miembros estaba ya en vías de crecimiento. Otra tendencia destacada era el fuerte y continuado dinamismo del transporte aéreo y del transporte marítimo y fluvial. El transporte aéreo dominaba en el mercado de transporte de pasajeros a larga distancia; los operadores de bajo coste absorbían ya el 25% de todos los vuelos regulares realizados dentro de la UE y se había estimulado el crecimiento de los aeropuertos regionales. Al transporte marítimo le correspondía el 39% del transporte interno de mercancías y casi el 90% del volumen del comercio exterior. La cuarta parte de los barcos del mundo llevaban bandera europea; el 40% de los barcos son de propiedad europea. Puesto que solo existen vías

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navegables de importancia en algunos estados miembros, el transporte por vías navegables interiores representaba tan solo el 3% del transporte de mercancías global; este modo de transporte alberga todavía hoy considerables posibilidades sin explotar. Aunque en el Libro Blanco de 2001 se contemplaba una tasa media de crecimiento económico del 3%, el resultado real fue del 1,8% en el periodo 2000-2005. Para el periodo comprendido entre 2000 y 2020, las previsiones establecían un índice anual de crecimiento medio del PIB del 2,1% (52% para todo el periodo). Se preveía que el transporte de mercancías registrara unos índices de crecimiento globalmente iguales (50% en todo el periodo), mientras que el crecimiento del transporte de pasajeros sería más lento, del orden del 1,5% de media anual (35% en todo el periodo). Las predicciones mediante simulación confirmaban que el reparto modal se estabilizaría a largo plazo. En la Tabla 18.1 se reflejan las tendencias en el transporte entre 2000 y 2020 en la UE de los 25 basándose en el año 2000. A destacar el incremento espectacular del transporte aéreo de pasajeros que continúa la actual tendencia, con un 9% de los desplazamientos en la distribución modal en 2000. El incremento del transporte de pasajeros mediante automóvil es del 36% pero su punto de partida es del 76% en 2000. Entre las mercancías destaca el crecimiento del transporte marítimo a corta distancia y por carretera, con base modal de un 39% y 43%, respectivamente, en 2000. También hay que destacar el crecimiento de las vías navegables interiores y el bajo crecimiento del ferrocarril. Paralelamente dentro de la política global del transporte de la Comisión Europea hay que destacar, además del Libro Blanco y otros documentos, algunos programas como el Marco Polo y el Marco Polo II (2007-2013), que buscan transferir cada año varios miles de millones de toneladaskilómetros de la carretera (cifrado en 12.000 millones de toneladas-kilómetros anuales) hacia otros modos con menor consumo energético y más compatibles con el medio ambiente, como la navegación de corta distancia, el transporte ferroviario o por vías navegables interiores, sin repercutir negativamente sobre los resultados de producción o el empleo.

No hay que olvidar que el 80% de los europeos vive en entornos urbanos. Los transportes públicos, los automóviles, los camiones, los ciclistas y los peatones comparten una misma infraestructura. El transporte urbano es responsable del 40% de las emisiones de CO2, y por tanto del correspondiente consumo de energía, y de hasta el 70% de las de otros contaminantes procedentes del transporte. En este análisis no hay que olvidar los efectos de la congestión del tráfico y los accidentes, que constituyen los llamados costes externos y representan en su vertiente económica, según la Comisión Europea, un importante 0,5% y un 2%, respectivamente, del PIB de la UE. El modo de incrementar la movilidad y, al mismo tiempo, reducir la congestión, los accidentes y el consumo de energía con su contaminación es el desafío común al que se enfrentan todas las grandes ciudades. Globalmente el peso de la UE ocupa también un papel destacado como proveedor de servicios, equipos y tecnología de transporte. Sus empresas controlan el 30% del transporte aéreo mundial y el 40% de la flota marítima. Los equipos de transporte representan el 16% de las exportaciones de la UE. Muchas actividades de transporte se realizan en un marco de competencia internacional, en particular en el transporte aéreo y marítimo. Tabla 18.1. Previsiones de la Comisión Europea de la revisión en el 2006 del Libro Blanco de la Comisión Europea. EU-25 INCREMENTOS EN LAS TENDENCIAS DESDE 2000 a 2020 Total transporte de mercancías EU-25 Marítimo de corta distancia Carretera Conductos Vías navegables interiores Ferroviario Total transporte de pasajeros EU-25 Aéreo Automóvil Tranvía-metro Ferrocarril Bus-autocar

52% 59% 55% 45% 28% 13% 35% 108% 36% 19% 19% 0%

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Transporte y energía La política de transportes está estrechamente entrelazada con la política de la energía, con unos objetivos comunes: reducir las emisiones de CO2 y reducir la dependencia comunitaria de los combustibles fósiles. El transporte, que es uno de los principales consumidores de energía, representa casi el 71% del total de consumo de petróleo en la UE. El transporte por carretera consume el 60% del total de petróleo; el transporte aéreo representa cerca del 9% del consumo global de petróleo. El transporte por ferrocarril consume aproximadamente un 75% de electricidad y un 25% de combustibles fósiles. Los elevados costes de los combustibles fósiles y la necesidad de reducir la dependencia estratégica deberían espolear una optimización del potencial de cada modo de transporte. Estos retos refuerzan la prioridad medioambiental de ser expertos en el uso de la energía. En esta dirección la Comisión Europea ha publicado desde el año 2000 varios documentos, entre ellos vale la pena hacer referencia a los tres más importantes en los próximos apartados. En el primero de ellos, por orden cronológico, la Comisión Europea, previendo la situación que ahora se está padeciendo, ya realizó un “Plan de acción sobre eficacia energética (2000-2006)”, cuyo objetivo era reducir el consumo de energía en un 18% mejorando la eficacia energética con el fin de proteger el medio ambiente, reforzar la seguridad del abastecimiento de energía y crear una política energética más sostenible. Dentro de este plan había diversas acciones que afectaban al transporte que, como indicaba el documento, era el responsable de más del 30% del consumo final de energía. Las acciones propuestas eran mayoritariamente de carácter no técnico e incluían el fomento de la creación de infraestructuras de nuevo tipo para la promoción de la intermodalidad, y a reducir en un tercio, para 2005-2010, las emisiones medias de CO2 de los vehículos nuevos con relación a 1995, mediante acuerdos voluntarios. En 2005, la Comisión Europea publicó el Libro Verde sobre la eficiencia energética donde ponía de manifiesto la necesidad de reactivar la actividad de la Unión Europea (UE) en materia de ahorro

energético. La Comisión invitaba a las autoridades públicas a responsabilizar al conjunto de los ciudadanos y a las empresas recompensando los comportamientos de ahorro. La eficiencia energética es un importante reto, sobre todo dada la amenaza que la evolución del consumo de energía suponía para el medio ambiente y el crecimiento económico de la UE. Debían realizarse esfuerzos sobre todo en los sectores del transporte, la producción de energía y los edificios. En esta publicación se indicaba que la UE dependía de las importaciones de energía en un 50 % de su consumo, cifra que podría pasar al 70% en 2030. Volvía a incidir en que el transporte representaba un tercio del consumo total de la UE y era el primer sector con un fuerte potencial de ahorro energético. El predominio del transporte por carretera y su fuerte dependencia del petróleo conlleva problemas de congestión y contaminación que se añaden al derroche energético. El proyecto supondría la creación de un millón de puestos de trabajo en los sectores interesados (gestión del transporte, tecnologías de alta eficiencia energética, etc.) además de un ahorro del 20% de la energía que permitiría a la UE cumplir sus compromisos de Kyoto, reduciendo las emisiones de CO2 para preservar un medio ambiente sano para los ciudadanos de hoy y del mañana. En el sector del transporte, establecía regímenes fiscales favorables a los vehículos limpios y económicos y penalizar a los que contaminan, como se ha aplicado en España a partir de 2008. Del mismo modo, era necesario recompensar a los fabricantes que favorecieran la eficiencia energética y responsabilizar a los consumidores sobre cuestiones como la presión de los neumáticos, el uso del transporte público y los desplazamientos en vehículo compartido. La Comisión deseaba también financiar la investigación y el desarrollo de combustibles alternativos. Por último, La Comisión reclamaba una mejor gestión del tráfico por carretera y el tráfico aéreo en todo el continente para limitar la congestión y la contaminación, en particular, gracias a las aplicaciones del Programa Galileo. El Programa Galileo tiene como objetivo la creación de la primera infraestructura mundial de


radionavegación y de posicionamiento por satélite específicamente concebida para fines civiles. Su realización tiene al mismo tiempo una dimensión tecnológica, política y económica. Después de los periodos iniciales, desde 1991, y algunas dudas, el proyecto final del Programa Galileo se llevará a cabo en dos etapas, es decir, la etapa de construcción entre 2008 y 2013 y la etapa de operación después de 2013. Durante la etapa de construcción, la Unión Europea invertirá 3.400 millones de euros en la construcción de infraestructura aérea y terrestre, incluido el lanzamiento de 30 satélites. A poco más de un año de la anterior publicación, la Comisión Europea presenta el “Plan de acción para la eficiencia energética (2007-2012)”, cuya finalidad era reducir el consumo de energía en un 20% de 2007 a 2020, en que de nuevo, entre otros objetivos, se buscaba reducir el impacto de los transportes en el consumo energético. En este aspecto proponía actuar sobre el consumo de los automóviles y promover modos de transporte alternativos más limpios como los elementos esenciales para resolver estos problemas. Es pues necesario aplicar con urgencia iniciativas como las anunciadas en el Libro Verde o en el “Plan de acción para la eficiencia energética”. Esta política energética europea propugnada por la Comisión Europea busca garantizar la capacidad competitiva, la seguridad del suministro y la protección del medio ambiente, y tiende a prestar especial interés, entre otros, a una nueva política de transporte que reduzca el consumo de energía mejorando la eficiencia de los combustibles de automoción y reemplazando paulatinamente la gasolina por otros combustibles, bien sean biocombustibles, gas natural, hidrógeno, electricidad u otros, como se verá en próximos apartados. El desarrollo de una arquitectura abierta europea garantizará la interoperabilidad y el desarrollo flexible de futuras aplicaciones para todos los modos de transporte. Están ya en marcha varios proyectos, como la iniciativa “Vehículo inteligente” para fomentar nuevas tecnologías en vehículos a través de la coordinación de las acciones de las partes interesadas (el foro eSafety), la investigación en sistemas de vehículos inteligentes y sensibilización de los usuarios, y el programa SESAR, para la incorporación de las

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tecnologías más modernas a la gestión del tráfico aéreo en el cielo único europeo. El programa SESAR reducirá el impacto del tráfico aéreo sobre el medio ambiente, además de aumentar la seguridad, contribuir al empleo y abrir mercados para la exportación de la tecnología europea de tráfico aéreo. El sistema ERTMS (European Rail Traffic Management System) aportará ventajas similares al sector ferroviario. Esto incrementará la interoperabilidad entre redes nacionales, que es una condición previa indispensable para la eficacia de las operaciones ferroviarias de larga distancia. El sistema de servicios de información fluvial se está introduciendo ya en los principales corredores europeos. La UE invierte una cantidad considerable de fondos públicos en estos sistemas y apoya su extensión con el pertinente marco reglamentario. Las acciones futuras explotarán oportunidades para la creación de asociaciones entre los sectores público y privado para apoyar el desarrollo y la demostración de nuevas tecnologías, entre las que destacan la transformación ecológica del transporte aéreo (iniciativa tecnológica conjunta “Cielo limpio”) y la transformación ecológica del transporte de superficie (iniciativa tecnológica conjunta “Pilas de hidrógeno y pilas de combustible”). En la UE, como síntesis, las políticas y estrategias europeas sobre eficiencia energética y su conjunción con el transporte se ven reflejadas en las directrices que marcan el Libro Verde, el Libro Blanco, el programa Galileo, Marco Polo, el SESAR, el sistema ERTMS, etc., y que concluyen en el “Paquete de Energía y Cambio Climático de 2020”, conocido como el “Compromiso del triple 20”, haciendo referencia a un 20% de reducción en la emisión de C02, 20% de energía renovable y 20% de eficiencia energética en 2020. Todos estos aspectos se canalizan, en el sector del transporte, básicamente en tres ejes: • • •

Cambio modal hacia medios más eficientes mediante. Mejora de la eficiencia en los vehículos. Usos más eficientes de los medios.

Dentro del marco de integración comunitario todas estas directrices instaron al ejecutivo español a desarrollar en 2003 los planes de actuación sobre:

240 •

•


Ahorro y eficiencia energética, que se inició con el “Plan de Estrategia Española de Eficiencia Energética 2004-2012”, conocido por PAE4, o simplemente E4. Desarrollo de energías renovables, con el Plan de Energías Renovables 2005-2010, abreviadamente PER.

El E4 pretendía un ahorro de energía primaria de 69.950 ktep y su efecto en la disminución de emisiones de 190 Mt de CO2, con unas inversiones de 30.000 M€ y con apoyos públicos de 3.000 M€, de los que un 17,3% se destinaron al transporte entre 2004 y 2012. El E4 marcaba varias acciones principales en cada sector. En el transporte se incidía, siguiendo el marco de la EU, en el cambio de modos de transporte, en el uso eficiente de los medios de transporte y en la mejora de la eficiencia de los medios de transporte. En esta misma dirección el 8 de julio de 2005 el Consejo de Ministros aprobó el “Plan de Acción 2005-2007 de Ahorro y Eficiencia Energética”. En 2007 se valoraba muy positivamente los resultados del E4 2005-2007. El número de medidas activadas habían ido creciendo y los retos cada vez habían sido más globales. En 2005 se pusieron 8 medidas en marcha, 22 en 2006 y 24 en 2007, con unos recursos económicos públicos muy importante de 540,5 M€ en este periodo. Se estima que se han realizado 1.300.000 actuaciones de las que unas 35.000 correspondían al sector del transporte. En términos energéticos globales las medidas puestas en marcha permiten un ahorro de energía primaria de unas 15.000 ktep, lo que significa el 125 % de lo previsto en el E4. Posteriormente, el 17 de Julio del 2007 se aprueba el Plan de Acción correspondiente al periodo 2008-2012 también conocido como PAE4+ dentro del marco del E4 pero potenciando sus objetivos. Con este nuevo plan las administraciones públicas aportaban recursos por un montante de 2.367 millones de euros, un 20,2% más de lo que indicaba la E4 para el periodo 2008-2012 y se preveía un ahorro de 87,9 millones de toneladas equivalentes de petróleo en todo el periodo (el equivalente al 60% del consumo de energía primaria en España durante 2006) y permitirá una reducción de emisiones de CO2 a la atmósfera de

238 millones de toneladas. El plan concentraba sus esfuerzos en siete sectores: Industria, Edificación, Servicios Públicos, Equipamiento residencial y ofimático, Agricultura, Transformación de Energía, y Transporte. Sobre este es el que se incidía el mayor volumen de ahorro previsto, 33,4 millones de toneladas de las 89 de todo el plan, como resultado de la aplicación de un importante número de medidas, quince, así como una intensa actuación legislativa, encaminada fundamentalmente a modificar nuestros patrones de movilidad. Al sector del transporte se destinaban ayudas del 17,3% de los recursos públicos del plan. Las medidas a ejecutar en todo el nuevo Plan ya estaban contempladas en el anterior, pero ahora se completaban y ajustaban más por sectores hasta un total de 45, de las que 15 correspondían al transporte (12 de ayudas y 3 de formación) tal como se detallan en la siguiente relación: 1. Planes de movilidad urbana. 2. Planes de Transporte para Empresas. 3. Mayor Participación Medios Colectivos en Transporte por Carretera. 4. Mayor Participación Ferrocarril. 5. Mayor Participación Marítimo. 6. Gestión de Infraestructuras de Transporte. 7. Gestión de Flotas de Transporte por Carretera. 8. Gestión de Flotas de Aeronaves. 9. Conducción Eficiente de Vehículo Privado. 10. Conducción Eficiente de Camiones y autocares. 11. Conducción Eficiente en el Sector Aéreo. 12. Renovación Flota de Transporte por Carretera. 13. Renovación Flota Aérea. 14. Renovación Flota Marítima. 15. Renovación Parque Automovilístico de Turismos. A partir de ellas se han realizado planes muy concretos y detallados como: • • • •

Promoción del uso de bicicletas en el 1, Estudios y experiencias piloto en el 2, Carriles VAO e intercambiadores en el 3, Ayudas para estudios y diseños básicos de infraestructuras que incrementan la penetración del sector de transporte en mercancías,


• •

y cursos de formación en el 4 y en el 5… Cursos de conducción a conductores y profesores de autoescuelas en el 9 y en el 10. Legislación y ayudas para cubrir el gasto de vehículos alternativos en el 12 y vehículos tradicional en el 15…

Dentro de todo este paquete de medidas podemos citar también: •

• • •

Etiquetado energético comparativo obligatorio de turismos, que informa al consumidor de las emisiones de los vehículos. Reducción de los límites de velocidad en carretera. Proyecto piloto sobre el vehículo eléctrico. Proyecto Movele I y II de promoción de los vehículos eléctricos y puesta en circulación

•

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de 2.000 vehículos de este tipo entre 2009 y 2010. Lanzamiento del car sharing.

Como conclusión, comentar que la Directiva 2006/32/CE sobre eficiencia del uso final de la energía y los servicios energéticos, establecía que los estados miembros deberían tomar medidas razonables, practicables y rentables con el fin de conseguir un ahorro energético del 9% para el año 2016, con respecto al escenario tendencial resultante de considerar el consumo de energía final de los últimos cinco años. En este sentido, los objetivos establecidos en el Plan 2008-2012 superan el objetivo establecido en la Directiva, alcanzándose un ahorro del 11% en el año 2012 con respecto al escenario tendencial marcado por esta directiva.

Transporte y medio ambiente: un dilema sin resolver La estrategia europea en materia de transporte y medioambiente de la Comisión Europea define los objetivos para integrar los requisitos ambientales en la política de transportes. Propone fomentar el transporte público, el transporte intermodal y el transporte combinado, así como los modos de transporte menos perjudiciales para el medio ambiente (especialmente el transporte ferroviario y fluvial). Hay que tener conocimiento de que en promedio se generan unos 16 kg por persona y día de gases de combustión procedentes de los vehículos (las estadísticas son bastante confusas porque los fabricantes solo hacen referencia al CO2 emitido), pero este gas viene acompañado del exceso de aire, el vapor de agua y otros contaminantes. Por tanto, es el conjunto de gases lo que ha de tenerse en cuenta. En la UE el transporte es el responsable del 7% de las emisiones de SOx, del 28% de CO2, del 87% de CO y del 66% de NOx.. Como consecuencia de este tipo de argumentos, uno de los objetivos comunitarios es alcanzar un nivel medio de emisión de los vehículos nuevos de 120 g CO2/km en 2012. El planteamiento europeo al respecto se basa en tres pilares: •

Los compromisos voluntarios de la industria del automóvil por los que los construc-

•

•

tores europeos (ACEA), japoneses (JAMA) y coreanos (KAMA) se han comprometido a reducir las emisiones medias de los vehículos nuevos en un 25% entre 1995 y 20082009 (de 186 g CO2/km en 1995 a 140 g CO2/km en 2008-2009). La aplicación de estos compromisos da lugar a informes anuales de la Comisión (EN). La mejora de la información a los consumidores sobre el consumo de combustible y las emisiones de CO2 La adopción de medidas fiscales (EN) para fomentar la adquisición de vehículos menos contaminantes.

Por otra parte, han mejorado de forma considerable las normas sobre calidad de los combustibles para el transporte, especialmente en lo que se refiere a su contenido de azufre. Además, la UE ha fijado un porcentaje indicativo de biocarburantes que han de sustituir, en cada estado miembro, al diesel o a la gasolina que se utilizan para el transporte (2% en 2005 y 5,75% en 2010). La UE ha adoptado también una estrategia para la reducción de las emisiones atmosféricas de los buques de navegación marítima. Asimismo, se ha dotado de un arsenal de medidas en materia de seguridad marítima para evitar nuevas catástrofes

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ecológicas como las del Erika o el Prestige. Esas medidas se refieren, en particular, a la prevención de la contaminación causada por los buques, a los mecanismos de cooperación en caso de contaminación marina y a la posibilidad de sanciones penales contra los responsables de contaminación marina. Sobre el transporte aéreo y medio ambiente, la UE ha adoptado normas sobre la gestión del ruido en los aeropuertos comunitarios, que se basan esencialmente en las decisiones adoptadas por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI). Dichas normas se refieren, entre otras, a la prohibición del acceso a los aeropuertos europeos para los aviones más ruidosos y a requisitos de construcción de las aeronaves. También propone que hay que mejorar las normas de emisiones atmosféricas y postula integrar el sector del transporte aéreo en el sistema comunitario de comercio de derechos de emisión de gases de efecto invernadero. Por otra parte la Agencia Europea de la Energía editó, en 2005, un documento con este mismo título que va en la misma línea y que fue adaptado por el Ministerio de Medio Ambiente Español en 2006. En él se vierten una serie de recomendaciones/reflexiones que siguen de actualidad: •

Cada día se transportan más mercancías a mayores distancias y con mayor frecuencia. Con ello la generación de CO2 va en aumento. La emisión de gases de efecto invernadero crece con mayor rapidez que la eficiencia energética de los medios de

•

•

•

•

transporte. Se hace un ruego a los países miembros de la UE para lograr el objetivo comunitario de 120 g CO2/km en el consumo energético de los coches que se fabriquen a partir de 2012, petición que ya se ha convertido en ley. El transporte, básicamente el transporte por carretera, es cada vez menos contaminante por lo que hace referencia a la emisión de partículas y gases contaminantes (SOx, NOx, CO, etc.). No obstante, la calidad atmosférica en las ciudades empeora, y ello a pesar del empleo de mejores carburantes. Algunos países de la UE han fijado 2009 como año límite para usar combustible sin azufre. El volumen del transporte de pasajeros ha ido en paralelo al crecimiento económico. La dispersión urbana en muchos países es la causa principal del incremento del parque automovilístico. El transporte aéreo ha aumentado mucho. El transporte por carretera sigue ganando cuota de mercado. Ello va en contra de la estrategia de la UE. Seguramente este hecho obligará a tomar otro tipo de medidas contundentes como instaurar estaciones de carga de camiones en tren y atravesar un país durante la noche. La cuota de biocarburantes va aumentando, pero está lejos de los objetivos fijados por la UE.

Diversas modalidades de transporte

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LOS SISTEMAS DE TRANSPORTE MÁS UTILIZADOS Y LOS DE MAYOR CRECIMIENTO SON LOS MÁS INEFICIENTES. • • • • • • • •

•

• •

•

El automóvil es el sistema de transporte más ineficiente desde el punto de vista energético. El parque de vehículos en España es del orden de 315 veces mayor que China e India. Es un modelo insostenible. El transporte tal y como está concebido hoy en día, no es sostenible. El transporte privado (automóviles) viene a consumir el 50% de la energía en todos los sistemas de transporte. En España el 94% del transporte de mercancías se realiza por carretera, mientras que la media de la UE-25 es del 76%. El viaje Barcelona/Madrid de un pasajero en avión emite 76 kg de CO2, mientras que si emplea el tren de alta velocidad el consumo desciende a 14 kg de CO2. En España, la emisión de CO2 correspondiente al tráfico aéreo se incrementó cerca de un 200% entre 1990 y 2007, con un 3% de la producción de CO2. Un ciudadano que realice diez vuelos intercontinentales gasta la energía equivalente al consumo de una calefacción doméstica durante un año. El ferrocarril, si bien es uno de los sistemas de transporte terrestres más eficientes, tiene un crecimiento de los más bajos tanto en pasajeros como en mercancías. Últimamente ha aumentado algo más en el transporte de pasajeros debido a la alta velocidad, desplazando al avión e incluso al automóvil. También han aumentado en los sistemas interurbanos y metro. El transporte marítimo permite transportar enormes cantidades de mercancías a grandes distancias. El de cabotaje y fluvial de mercancías se han rehabilitado gracias al transporte intermodal que ofrecen los contenedores. En la UE el 42% de las mercancías se transportan por vía marítima. La UE es líder mundial en transporte marítimo: transporte, barcos, técnicas de construcción naval, turismo costero, reglamentación, producción de energía en el mar. El transporte marítimo de pasajeros no es importante desde el punto global del transporte, sin embargo Barcelona es el principal puerto del mediterráneo en tráfico de pasajeros por sus cruceros turísticos, lo que sí tiene trascendencia económica. Todos los sistemas de transporte se están modernizando, con motores de menor consumo, en la aerodinámica y en la disminución de peso. En la marina mercante hay mejoras como la hélice CLT o la navegación a vela que mejoran aún más su bajo consumo específico. La motorización eléctrica también se ha puesto a prueba en un velero con alimentación solar y un aerogenerador.

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Introducción El transporte y las comunicaciones en general han cambiado el mundo en que vivimos, y debido a ellos estamos en una economía global. Toda persona se traslada para trabajar, comprar y vender a cualquier parte de la Tierra. Cualquier producto, con independencia de su tamaño, es susceptible de producirse en un lugar para venderse en otro gracias al transporte. Una misma persona o producto puede combinar transportes terrestres, marítimos

o por el aire en un mismo día. El automóvil, el autobús, el camión, el ferrocarril, avión o barco constituyen un elemento cotidiano de nuestra vida diaria. Los distintos sistemas de transporte, públicos y privados, se complementan para realizar el puerta a puerta, cada uno de ellos con sus propias características, aspectos que se comentan en los siguientes apartados.

Transporte por carretera. El automóvil y otros trasportes por carretera En los albores del siglo XXI nadie duda de que el automóvil ha supuesto un gran hito en el desarrollo de la humanidad. Sin embargo, también ha mostrado su cara más sombría: el consumo de gran cantidad de energía generada y almacenada durante siglos junto a una agresión al medio ambiente y a los efectos sobre la salud de los ciudadanos. Durante el siglo XX se fabricaron más de mil millones de coches, el mismo número que de automóviles que se van a fabricar durante los primeros quince años del siglo XXI. El desarrollo económico de países como China e India aumentarán de forma alarmante el nivel de consumo de energía y polución en la atmósfera si no se adoptan medidas internacionales para controlar la emisión de gases contaminantes. Según el World Watch Institute, si todas las familias chinas tuviesen un simple frigorífico en casa la capa de ozono no resistiría. Si tuvieran coches en la misma proporción que las familias occidentales, los efectos para la atmósfera serían devastadores. Desde la explosión del automóvil como sistema de locomoción, en la década de los cincuenta del siglo pasado, el consumo específico de los mismos ha ido disminuyendo. Sin embargo sigue siendo, como muestra la Figura 19.1, el sistema de transporte más ineficiente desde el punto de vista de consumo energético. El transporte público es, dentro del transporte terrestre, sin duda el más eficiente energéticamente hablando. Así, por ejemplo, el ferrocarril

en su conjunto transportaba, en España, en 2006, el 5% de los viajeros/kilómetro y el 4% de las toneladas/kilómetro, utilizando para ello del orden del 1% del total de la energía que se destina al transporte. El organismo francés ADEME (Agence de l’Environment et de la Maîtrise de l’Energie) señala, para el caso de Francia, que con un kilogramo equivalente de petróleo (kep) los distintos modos urbanos y metropolitanos transportan un viajero a una distancia que oscila entre 70 y 190 km, frente a los 37 del autobús o los 15 del automóvil. El automóvil simboliza el paradigma de nuestra civilización y progreso. Sin embargo, desde el punto de vista energético y ambiental, presenta unos inconvenientes que deben analizarse bajo diferentes puntos de vista. Como punto de partida de esta reflexión vale la pena contemplar los resultados de la Tabla 19.1 referentes a la movilidad en las ciudades. México DF, Santiago de Chile, Bogotá, Atenas, Roma, Bangkok, Los Ángeles, Lagos, Sao Paulo, Nueva Delhi, Calcuta, El Cairo, Londres y Madrid, son algunas de las ciudades que año tras año sufren la contaminación atmosférica debido al tráfico urbano. En condiciones normales los contaminantes emitidos por los vehículos ascienden con los gases calientes mientras encuentren masas de aire más frías. Sin embargo, las condiciones topográficas y metereológicas de algunas ciudades causan inversiones térmicas: la tempe-

245


Figura 19.1. Consumo de energía en diferentes sistemas de transporte. (Fuente: Mobility CarSharing de la Suisse, 2000). Tabla 19.1. Movilidad, en porcentaje, en diversas ciudades americanas (Fuente: Ecoengen). Ciudad

_;:

Autobuses

Camiones

Otros

Bogotá

61

15

5

19

Los Ángeles

95

1

4

0

México (DF)

91

3

5

1

Santiago (Chile)

88

6

6

0

Figura 19.2. Distancia per cápita en km por año en algunos países de la UE. (Fuente: Eurostat.)

246


ratura de la capa de aire situada a varios centenares de metros de altitud es superior a la de la capa de aire en contacto con el suelo a la que bloquea, como una tapadera, impidiendo la difusión de los contaminantes en altura, situación agravada aún más cuando el viento cesa. Entonces se disparan los índices de inmisión. Es difícil establecer, a priori, una correlación de los indicadores de la Tabla 19.1 pero parece evidente que existe una cierta relación entre la renta per cápita y el modelo de movilidad. Este baremo no es válido para las ciudades europeas, sin embargo, el problema de fondo es el mismo. La Agencia Europea del Medio Ambiente indica, como muestra la Figura 19.2, que en el periodo 1993/2002, muchos países del sur de Europa (Grecia, España y Portugal) han desarrollado unos niveles de transporte (automóviles, trenes, autobuses y aviones) que son comparables a otros países de mayor renta per cápita, como Austria o Alemania. Parece evidente, al menos con datos estadísticos a la vista, de que existe una correlación entre la renta disponible y la potencia de los vehículos. Así, en el caso de España, en 1990 el porcentaje de

coches mayores de 1.600 cc (centímetros cúbicos) era del 36%, mientras que en 2000 este porcentaje rebasó el 64%. En el sector de la automoción el consumo crece un 2% anualmente y acapara el 60% de los derivados del petróleo. No hace falta hacer números ni extrapolarlos para comprender que, teniendo en cuenta tan solo el parque automovilístico de los países industrializados, este incremento, junto con la generación de energía, acabará con el petróleo en menos de 50 años. El parque de vehículos en España, al cierre de 2008, superó los 30 millones al contabilizar 30.969.224 vehículos, sin contabilizar los ciclomotores que ascendían a la nada desdeñable cifra de 2.410.685 unidades, lo que suponía un crecimiento del 2,15% respecto 2007, valor inferior al elevado 3,7% entre 2007 y 2006. Como el parque de vehículos en 2003, era de 25.169.432 vehículos, en cinco años ha habido un elevado crecimiento del 23,04%, casi una cuarta parte. La Figura 19.3 muestra este constante y creciente aumento, en total el 38,19% en los 19 años de la gráfica (sin contabilizar motocicletas, tractores y otros

Figura 19.3. Evolución del parque de vehículos en España (Fuente: INE).


vehículos, en 20 años el incremento ha sido del 41,12%) y que está especialmente afectado por el crecimiento de los turismos. Estos, en 20 años han aumentado casi un 38%, mientras que los camiones de todo tipo han aumentado mucho más, casi el 48%, al contrario que los autobuses que solo lo han hecho en un 20,06%, aunque estos en 2008 sólo representaban el 0,28% del todo el parque. Estos datos reflejan el importante crecimiento del transporte de mercancías por carretera, y el de viajeros mediante turismos y la poca importancia de los autobuses en España. Sin embargo según datos de 2007 alrededor de un tercio de parque tiene una antigüedad mayor de 10 años: los turismos suponen el 31,5%, el 35,3% en el caso de los camiones y el 37,2% en autobuses. El nivel de motorización, vehículos por cada 1.000 habitantes, ha aumentado más de un 61% desde el año 1991 (Figura 19.4) lo que supone pasar de 424 a 684 vehículos por cada mil habitantes. Es más habitual dar un indicador similar, el número de turismos por cada millar de habitantes, que en este periodo ha pasado de 322 a 489 según el INI. En 20 años estos dos valores han crecido respectivamente en un 33,5% y 26,4%. España, en comparación con la UE, se encuentra entre los países con mayor nivel de motoriza-

247

ción, aunque por debajo de los 510 vehículos por cada 1.000 habitantes que presenta la media de los países de la UE-15, y que encabeza Alemania con 563, seguido de Italia con 558, Austria con 522, Gran Bretaña con 515 y Francia con 500. También se pueden consultar estadísticas de los vehículos por mil habitantes versus el PIB per cápita en la UE. Se observa que para valores altos de este índice, entre los 500 a 563 vehículos/1.000 h, es independiente del PIB per cápita. Esta conclusión parece indicar que los 600 turismos por 1.000 habitantes constituye una frontera difícil de sobrepasar en Europa, y que debe tenerse en cuenta en las previsiones. Dentro de las CC AA (Figura 19.5), las Islas Baleares es la que presenta el mayor nivel de motorización (602 vehículos por cada 1.000 h) la Comunidad de Madrid y Galicia le siguen con 532 y 516 vehículos por cada 1.000 habitantes respectivamente, los índices más elevados, incluso superiores a los 510 de media de la UE-15. Esta diferencia se explica por la flota de coches de alquiler que presentan las islas. Todas estas cifras muestran un importante parque de vehículos con un elevado crecimiento, así, por ejemplo, este parque era seis veces superior a la suma de los coches de India y China, países cuya población superaba los 2.000 millones de

Figura 19.4. Evolución del nivel de motorización de vehículos en España (Fuente: INE).

248


Figura 19.5. Número de vehículos por cada 1000 habitantes por CC AA en 2007.

personas, alrededor de unas 53 veces la de España, por lo que el índice de motorización resulta 315 veces mayor que la de India y China. Salta a la vista que este modelo no puede ser sostenible, pero todo el mundo aspira al mismo, y lo imitarán hasta que la crisis ambiental sea irreversible. En la Tabla 19.2 se muestra el transporte de viajeros urbanos e interurbanos en España en un mes, febrero 2008, y la tasa de crecimiento interanual, por distintos medios de transporte, que muestran un continuo crecimiento, excepto el fe-

rrocarril, que siempre presenta la tasa más baja. La red de carreteras nacionales, en 2008, alcanza los 370.000 km incluyendo los 14.325 km de autopistas y autovías. Hay que destacar el fuerte incremento interanual acumulado, datos de febrero de 2008, de los viajeros en metro en las grandes ciudades: Barcelona (7,1%), Madrid (5,7%) y Bilbao (5,1%). Estos elevados índices reflejan el desplazamiento del automóvil hacia los medios de transporte públicos, en especial el metro, en las grandes ciudades.

Tabla 19.2. Transporte de viajeros en España con la tasa de crecimiento interanual a febrero 2008. (Fuente: Instituto Nacional de Estadística). ESTADISTICA DE TRANSPORTE DE VIAJEROS EN ESPAÑA A FEBRERO DE 2008 (INE) Viajeros transportados (miles)

Tasa de variación interanual acumulada

270.529 164.452 163.404 1.048 106.077

1,64% 0,39% 0,40% -1,31% 3,66%

159.820 105.818 91.801 14.017 50.231 3.320 451

2,03% 2,87% 2,70% 4,08% -0,10% 8,30% 9,83%

TRANSPORTE URBANO Total transp urbano Autobuses - Regular - Discrecional Metropolitano TRANSPORTE INTERURBANO Total transp interurbano Carretera - Regular(1) - Discrecional Ferrocarril Aéreo (interior) Marítimo (cabotaje)(2)(3)

(1) El transporte urbano e interurbano regular incluye: el regular general, el regular especial laboral y el escolar. (2) Solo pasajeros desembarcados. (3) Dato estimado.

249


MEJORAS EN EL CONSUMO DEL AUTOMÓVIL

En cuanto a mercancías, la Tabla 19.3 muestra las cuotas modales del volumen del transporte de mercancía (toneladas-km) en datos de 2003 por diversos sistemas de transporte. De nuevo se muestra la gran importancia de la carretera sobre los otros sistemas de transporte, no solo en España sino también en toda Europa. Según la misma fuente, entre los años 1991 y 2002, España ha tenido un crecimiento del PIB del 60% (frente al 20% de la mayoría de los grandes países de la UE) con un incremento del transporte de pasajeros del 70% (frente al 40% de la mayoría de los grandes países de la UE). En Europa las cifras más significativas del transporte por carretera se pueden resumir (datos básicos manejados en la revisión del Libro Blanco, publicada en 2006) en: • El transporte por carretera en Europa da lugar a un empleo directo de 1,7 millones en el transporte de viajeros (autobús, autocar, taxi) y 2,6 millones en el transporte de mercancías. • En el transporte de mercancías, el 44% se realiza por carretera, y en el de viajeros el 84%, con el 76% en automóvil particular y el 8% en autobús y autocar. • Entre 1995 y 2004 se produjo un incremento del 35% del transporte de mercancías por carretera, un 19% en el de pasajeros en automóvil y un 5% en autobuses y autocares.

Desde la primera crisis del petróleo en 1974, se ha buscado en el automóvil reducir los consumos de forma drástica y continua. Para realizarlo se ha recurrido a todos los parámetros posibles, entre otros, a la disminución de peso, a la mejora de la combustión y la aerodinámica de la carrocería. En la carrocería se han sustituido partes de acero por elementos plásticos (parachoques, capos, aletas laterales, etc.), en reducción de espesores de la plancha, e incluso algunos coches se fabrican con carrocerías totalmente de aluminio. En elementos estructurales como las suspensiones también se ha introducido el aluminio. Asimismo en los motores se ha buscado la reducción de peso. Esta se ha realizado, por una parte, en la sustitución de las fundiciones ferrosas por las de aluminio, inicialmente en las culatas y actualmente en muchos motores también con el bloque. Por otra parte, hay muchas marcas que han incidido en la reducción sistemática de piezas en el propio diseño. La introducción de la sobrealimentación también ha repercutido en la disminución del peso de los motores, pues ha permitido una mayor potencia específica por litro de cubicaje del motor. Sin embargo, la introducción de la mejora en la seguridad y el confort, junto a que cada vez los co-

Tabla 19.3. Cuotas modales para el transporte de mercancías. (Fuente: AEMA, 2006, Ficha técnica 13.) PAÍS

Carretera %

Ferrocarril %

> `;

Volumen total *

Austria

67

29

4

58,7

Bélgica

77

11

12

66,1

Dinamarca

92

8

0

25,0

Francia

79

18

3

258,5

Alemania

68

19

14

428,7

Italia

90

10

0

194,5

Países Bajos

67

4

29

114,6

Noruega

86

14

0

19,3

Polonia

61

39

1

128,6

Portugal

93

7

0

30,0

España

94

6

0

204,3

Suecia

65

35

0

56,8

Reino Unido

90

10

0

186,1

UE-25

76

18

6

2.037,0

(*) Miles de millones de toneladas-km

250


ches son más grandes, han hecho que, en muchas ocasiones, todas estas mejoras no se hayan traducido en una disminución efectiva del peso de los vehículos actuales respecto a los de hace 30 años. El aspecto que más ha influido en la disminución del consumo del automóvil ha sido en los cambios del sistema de alimentación del combustible. El tradicional carburador en los motores de gasolina ha sido sustituido por los sistemas de inyección, y en estos, con ayuda de la electrónica, se ha pasado a los sistemas multipunto, lográndose un mejor aprovechamiento del combustible. El diseño y experimentación de la culata y el pistón, junto a la utilización de nuevos materiales y lubricantes, han permitido mejoras sustanciales. En los motores diesel la sobrealimentación y las sucesivas mejoras en los sistemas de inyección, llegando hasta presiones de 2.000 bars han permitido potencias específicas impensables hace veinte años, y que han logrado una importante reducción de los consumos. Así los motores diesel han alcanzado comportamientos muy parecidos a los de gasolina, provocando en 30 años un cambio del mercado a favor del diesel hasta alcanzar el 70%. Incluso en la competición, 24 horas de Le Mans, hay coches punteros con este combustible. También hay neumáticos específicos que redundan en una reducción del consumo, que puede llegar al 5%. La aerodinámica, muchas veces junto al diseño, ha influido en el consumo sobre todo a velocidades elevadas. Sin embargo las limitaciones de velocidad en carretera a 80, 100 y 120 km/h limitan su trascendencia. El famoso coeficiente CX ha sido perseguido por los fabricantes siendo en varios modelos argumento de venta. La inclinación del parabrisas,

capós, etc., el ajuste del resalte de la carrocería con los cristales, los múltiples deflectores delante de las ruedas, las tomas de aire, el ventilador de refrigeración del motor y del aceite en algunos casos, el cuidado de los bajos, e incluso la forma de los retrovisores, han sido cuidados a efectos de un mejor CX y en definitiva un menor consumo. Sin embargo una de las formas de reducir el consumo de un automóvil es la conducción eficiente, basándose en pisar muy poco el acelerador, anticiparse a las situaciones de conducción y efectuando frenadas suaves. La administración ha recurrido a la limitación de la velocidad para reducir el consumo y reducir la contaminación. Como ejemplo la limitación de la velocidad a 80 km/h en toda el área metropolitana de Barcelona. Sin embargo la congestión cada vez más acuciante en las grandes ciudades provoca en muchas ocasiones una ineficiente utilización del carburante. Con todas las mejoras comentadas se ha logrado disminuir en 30 años los consumos de los 6 a 7 litros de gasolina a los 100 km a los 3,5 a 4,5 litros en una conducción eficiente por carretera en un coche pequeño inferior a los 1.000 cc. Sin embargo, como cada vez la cilindrada de los coches es mayor, con sistemas de sobrealimentación en muchos casos, y finalmente con más potencia, junto a los embotellamientos de circulación, da lugar a consumos iguales o mayores por km de los de hace 30 años. No hay que olvidar las mejoras en el trazado de carreteras, el pavimento, infraestructuras, etc., que también redundan en un menor consumo, siempre que no se produzca la congestión de tráfico.

Transporte aéreo Las características del transporte aéreo público han cambiado mucho con el tiempo. En principio se crearon las compañías nacionales que transportaban pasajeros, y a medida que la capacidad de carga fue aumentando se transportaron, también, unas pocas mercancías. Se desarrollaron así las grandes compañías aéreas, con cientos de aviones

y que transportaban millones de personas y toneladas de mercancía. A finales del siglo XX el modelo de grandes compañías entró en crisis debido al aumento de la demanda de viajeros y a un descenso del precio de los aviones, a la que no fue ajena la necesidad de seguir utilizando aviones antiguos pero en buen estado de uso. Aparecen, así, las com-


pañías de bajo coste, que ofrecen viajes masivos a precios bajos, que hoy en día son las que marcan las directrices del mercado. Los aeropuertos están muy jerarquizados. En el nivel más alto están los aeropuertos internacionales, con todo tipo de servicios. Los aeropuertos internacionales se localizan en las ciudades más importantes de cada país y las zonas turísticas más dinámicas. Entre los más importantes cabe citar los del de Hartsfield-Jackson (Atlanta), O’Hare (Chicago), Francfort del Main, París-Charles de Gaulle, Ámsterdam-Schipol, Londres-Heatrow, John F. Kennedy de New York, Tokio, Los Ángeles, etc. Frecuentemente solo es posible el vuelo internacional de aviones con origen en un aeropuerto internacional, porque ellos garantizan todo tipo de enlaces y seguridades. En un nivel inferior están los aeropuertos nacionales o regionales, con menos servicios y una capacidad de aviones mucho menor. Atienden las necesidades de vuelo dentro de un país, y se ubican cerca de ciudades no tan importantes. Las operaciones en estos aeropuertos son mucho más baratas, y frecuentemente son el destino de los vuelos de bajo coste. La regulación de tráfico aéreo tiene un ámbito mundial. El organismo encargado de su regulación es la IATA, que divide el planeta en tres zonas: TC1: América TC2: Europa, África y Oriente Medio. TC3: Resto de Asia y Oceanía. Además, la IATA se encarga de la Organización de la Aviación Civil Internacional (OACI). El negocio de las líneas aéreas tuvo en 2006 unos ingresos totales estimados en 450.000 millones de dólares, según cifras de la IATA. La entidad señala que desde los atentados del 11 de septiembre de 2001, las aerolíneas habían acumulado pérdidas por 41.000 millones de dólares. En 2005 las pérdidas se redujeron a 3.200 millones de dólares y para 2006 se estimaban en 500 millones de dólares. Dentro de esta estructura, el transporte aéreo en Europa se ha convertido en una realidad y es un motor de crecimiento. La reestructuración y la integración van bastante avanzadas, y el mercado se ha ampliado con la multiplicación de las rutas en las que se presta servicio en Europa, la entrada de líneas aéreas de bajo coste y el de-

251

sarrollo de aeropuertos regionales. El mercado interior ha aportado considerables beneficios a los usuarios. La UE es una figura mundial de primer orden tanto en lo que se refiere al equipamiento del transporte aéreo como a los servicios de aviación. Sin embargo, no se puede dormir en los laureles ante los retos del crecimiento continuo y de la competencia mundial. El mercado interior ha de ampliarse para mejorar los resultados de todos los segmentos de la industria de la aviación, como los servicios de los aeropuertos y de la navegación aérea. Las contribuciones positivas del mercado interior deberían extenderse también a las conexiones aéreas con el exterior. El transporte aéreo precisa de infraestructuras sólidas, tanto en el aire como en tierra. La creación de un “cielo único” propiciaría una mayor eficiencia del transporte aéreo en la UE. Para ello se requiere un liderazgo en lo que respecta a la futura estructura de los sistemas de gestión del tráfico aéreo. También es preciso efectuar las inversiones necesarias en capacidad aeroportuaria, acompañándolas de unas normas más claras sobre tarifas o tasas aeroportuarias. Es necesario adoptar medidas para reducir los efectos negativos que tiene actualmente sobre el medio ambiente el rápido crecimiento del tráfico, al tiempo que se mantiene la competitividad del sector y se tienen en cuenta las conversaciones en el marco de la OACI. Dichas medidas deberán buscarse en toda una serie de ámbitos, como son la mejora y la optimización del control de tráfico aéreo, el desarrollo de tecnología e innovación para las aeronaves y sus motores, etc., la mejora del rendimiento energético de las actividades de transporte y el uso de incentivos y/o instrumentos económicos, como considerar el impacto climático de la aviación en el mecanismo de intercambio de derechos de emisión de la UE. Las cifras más significativas del transporte aéreo europeo son (según datos de la revisión intermedia publicada en 2006 del Libro Blanco): • •

El transporte aéreo en Europa da lugar a 400.000 empleos directos. El transporte de pasajeros alcanza el 8% del total de todo el transporte de pasajeros en la UE (incluidos solo los vuelos interio-

252

• •


res), con un continuado incremento intenso, mientras que en mercancías solo alcanzaba un 0,1% de todo el transporte de la UE. Entre el 1995 y 2004 se produjo un incremento del 55%. La cuota de mercado de las compañías de bajo coste en el tráfico regular interior en la UE alcanzó el 25%, con un incremento del número de rutas de un 100% entre 1992 y 2004 y un porcentaje total del transporte de pasajeros del 4%.

Según la estadística de AENA, en España en 2007 hubo un movimiento de 210.040.170 pasajeros con un incremento del 8,7% en referencia a 2006. Respecto a la carga se alcanzaron las 624.107.905 toneladas con un incremento del 1,7%, un número total de operaciones de 2.496.348, con un 7,7% de incremento. Según el Instituto Nacional de Estadística, el número de pasajeros que utilizaron el transporte aéreo en España creció un 9,76% en febrero de 2008 respecto al mismo mes del año anterior, hasta alcanzar los 3,32 millones de usuarios. Para calibrar la importancia del incremento que ha supuesto el transporte aéreo se deben revisar la Tabla 18.1 y las Figuras 18.3 y 18.5. Sin em-

bargo hay que valorar la influencia negativa para el transporte aéreo que ejercen las líneas del ferrocarril de alta velocidad, y que serán analizadas en el apartado correspondiente al ferrocarril. Hay que añadir que el número de pasajeros del puente aéreo Barcelona-Madrid había descendido en un 20% después de tres meses de la puesta en servicio del AVE Barcelona-Madrid, alcanzando el 50% al año de la inauguración. Algunas publicaciones se hacen eco de que esta circunstancia obligaba a reducir la oferta y ponía en números rojos a la compañía aérea.

LA AVIACIÓN Y EL CONSUMO DE CARBURANTE España es el segundo país que en los últimos años más ha crecido en el uso del transporte en avión, con el consiguiente consumo de carburantes fósiles y la correspondiente emisión de gases de efecto invernadero. Solo Rusia ha aumentado más la emisión de gases procedentes del sector aéreo en los últimos quince años, según se aprecia en la lista de las 41 naciones industrializadas que maneja la Convención de Cambio Climático. El transporte aéreo suponía, en 2006, el 3% de todos los gases de efecto invernadero que gene-

Tabla 19.4. Ranking de países desarrollados con aumento de emisiones de CO2 procedente del transporte aéreo internacional. PAÍS

Millones t CO2 (2005)

Millones t CO2 (1990)

% Aumento emisiones (2005/1990)

Alemania

20,59

11,66

76,5%

Australia

6,83

4,38

56,0%

Austria

1,75

0,89

95,4%

España

9,61

3,46

177,4%

EEUU

63,25

46,21

36,9%

Francia

16,14

8,70

85,4%

Italia

8,59

4,13

107,8%

Japón

21,55

13,32

61,8%

Países Bajos

10,91

4,55

139,5%

Reino Unido

35,35

15,83

123,3%

Rusia

18,07

2,26

669,0%

Suecia

1,96

1,35

45,0%

120,79

61,62

96,0%

UE

253


raba la UE, aunque lo grave es que se ha duplicado en los dos últimos años. Con todo, los gases procedentes de vuelos internacionales escapan al Protocolo de Kyoto contra el cambio climático, mientras que los procedentes de vuelos internos sí están sometidos al Protocolo de Kyoto. El tráfico internacional de la aviación civil emitió en España el equivalente a 9,6 millones de toneladas de CO2 en el 2006, con lo que aumentó un 177% con respecto a 1990. A estas cifras deben añadirse los gases correspondientes a los vuelos interiores que suman otros 7 millones de toneladas de CO2. La Tabla 19.4 muestra algunos datos referidos a la aviación y su relación con la emisión de gases de efecto invernadero. En el caso de España, la principal causa del incremento es la llegada de turistas. Según la convención del Panel de Cambio Climático, el consumo de carburante se imputa en el país donde se haya repostado. La incidencia es realmente importante. Como ejemplifica la Tabla 19.5, se calcula que un pasajero que realice diez vuelos intercontinentales al año

genera, aproximadamente, las mismas emisiones que un ciudadano medio europeo en calefacción doméstica todo el año. Ambientalmente la diferencia substancial estriba en que hoy en día existen sistemas de calefacción a partir de energías limpias que no producen emisiones, mientras que el combustible gastado en el transporte aéreo no tiene, hoy por hoy, alternativa. La AEMA resume la distribución de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) por el transporte en la Figura 19.6. Las emisiones de gases de efecto invernadero producidos por el transporte aumentaron en los países miembros de la AEMA más de un 22% entre 1990 y 2003. Los movimientos de transporte en los países de la UE-15 son la causa del 87% de estas emisiones. En el ámbito europeo, en el Libro Blanco y en su revisión de 2006 ya se indicaban muchos de los conceptos comentados, aunque citaba que las compañías aéreas habían reducido el consumo de carburante entre un 1% y un 2% por pasajero y kilómetro en el último decenio, así como también

Tabla 19.5. Comparación entre la energía consumida en un vuelo y la calefacción doméstica. VUELO INTERCONTINENTAL

km

l/km pasajero

l queroseno

kWh

15.000

0,03

450

4.539

CALEFACCIÓN DOMÉSTICA

kW

+ <;:

Meses

kWh

Potencia caldera

11,6

80%

10

44.651

1 vuelo transoceánico

Figura 19.6. Emisiones de efecto invernadero producidos por el transporte, en la UE. Evolución 1990-2003.

254


había descendido considerablemente la emisión de ruido de los aviones. Pero en valor absoluto había aumentado el impacto ambiental global de la aviación civil debido al intenso crecimiento del tráfico. La eficiencia energética también ha llevado a corregir rutas, haciéndolas más cortas, y en una mejor gestión del trafico aéreo con la reducción de tiempos de espera. El “espacio único” europeo alberga muchas esperanzas.

DISEÑO AERODINÁMICO Y CONSUMO Al igual que ha acontecido con los automóviles, existen muchas mejoras en el sector aéreo con el fin de reducir el consumo. El nuevo A380 no va a ser solo el avión comercial más grande del mundo, con una capacidad de 853 pasajeros en su versión de aprovechamiento máximo en clase turista, sino que también será el aparato más eficiente y ecológico. Varios son los campos en los que más se ha incidido para lograr un avión “limpio”: ahorro de combustible, limitar el nivel de emisiones contaminantes y minimizar el impacto acústico. Airbus ha hecho un esfuerzo considerable en el diseño del A380 (véase Figura 19.7) para lograr un aparato de bajo consumo. Los responsables del consorcio europeo afirman que el A380 consumirá solo 2,9 litros de combustible por pasajero cada 100 kilómetros. El modelo A330 consume 3,4. Un factor fundamental para la reducción del consumo de combustible ha sido limitar el peso de este coloso.

Figura 19.7. Foto del Airbus 380 en comparación al tamaño de una persona.

El A380 alcanza las 286 toneladas en vacío en su versión más pesada (el A380-900), que a plena

carga de combustible llega a 584 toneladas (298 de ellas son de queroseno). La versión más potente puede fletar 150 toneladas de carga. Sin olvidar que su velocidad de crucero es de 900 kilómetros por hora a 35.000 pies de altitud, siendo su autonomía máxima de 16.200 kilómetros. Otros factores relacionados con el consumo han dado como resultado la aplicación de nuevas resinas, fibras de carbono, tecnoplásticos y todo tipo de materiales sintéticos. La evolución tecnológica se ha llevado al extremo de que si el A320 presentaba una composición total con un 10% de composites y nuevas aleaciones, la proporción llega hasta el 25% en el A380, y alcanzará el 37% en el A350, que iniciará sus vuelos de pruebas en 2013, con un consumo de cerca de los 2,2 l/100 km por pasajero. Otros dos aspectos fundamentales para reducir el consumo de combustible, y por consiguiente los niveles de contaminación de un avión, son su aerodinámica y sus propulsores. Los diseños de ambos son también determinantes para reducir la contaminación acústica. Teniendo en cuenta que el gigante de Airbus tiene una longitud de 79,8 metros, una envergadura de alas de 79,4, y una altura de 24,1 metros, presenta la mejor aerodinámica. Se ha estudiado hasta el menor detalle en los túneles de viento: la forma del morro, los bordes de ataque de las alas y de los timones horizontales, el cuerpo del fuselaje, el timón vertical y el tren de aterrizaje. El resultado es un avión lo más aerodinámico posible y muy silencioso. Todos estos aspectos contribuyen a un nivel sonoro muy reducido, incluso durante el aterrizaje y el despegue. En cuanto a los reactores para su propulsión, el A380 puede ir equipado con dos tipos de motorizaciones distintas. Su primera opción son cuatro turbinas Rolls-Royce Trent 900, que proporcionan un empuje de hasta 38.181 kg (84.000 libras) cada una y que ya han recibido todas las certificaciones necesarias para volar, tanto de la Agencia Europea de Seguridad Aeronáutica (EADS), como de la Administración Federal de Aviación (FAA) estadounidense. Las propias turbinas han sido concebidas para cumplir la doble función de economizar combustible y limitar el ruido. Responsables de Airbus han comentado a Le Figaro en octubre de 2009, que con el A380 ya


habían conseguido que el porcentaje de combustible consumido por pasajero fuera de tres litros por cada cien kilómetros cuando el resto está en cuatro, pero el nuevo A350, el próximo proyecto de la compañía, conseguirá que esa tasa sea de dos litros por pasajero. El otro gran fabricante de aviones, Boeing, también ha trabajado en la misma dirección. Así el Boeing 787 Dreamliner, que es una réplica estratégica al superjumbo de Airbus con cerca de 900 pedidos, aunque corresponde a otro tamaño: longitud de 57 m, envergadura de 60 m, altura de 17 m y un máximo de 290 asientos. Este está construido con un 50% de un material compuesto: resina reforzada con fibra de carbono, un 20% de aluminio, un 15% de titanio (metales muy ligeros), un 10% de acero y el 5% restante de otros materiales. El resultado es un peso inferior, entre 13 y 18 toneladas, a un modelo de similares características y un consumo de carburante un 20% menor por pasajero. Boeing ha seleccionado a General Electric y Rolls-Royce para desarrollar los motores supereficientes para el nuevo avión que además del menor consumo de combustible generará un nivel de ruido de solamente 85 dBA con una huella sonora 60% menor a los motores actuales. El avance en tecnología de estos motores contribuirá a un salto de cerca de dos generaciones para el mercado de aviones de tamaño medio. Su primer vuelo de pruebas ha tenido lugar el 15 de Diciembre de 2009, esperando entrar en servicio en un año Históricamente debe hacerse mención a un caso especial que constituyó el avión comercial Concorde. En él se realizó una cuidadísima aerodinámica, fue un avión supersónico que se avanzó a su tiempo. Inició sus vuelos comerciales en 1969, y finalizó su vida comercial hace muy pocos años. Fue característica su particular “nariz” movible para ofrecer en pleno vuelo una mejor penetración en el aire a las elevadas velocidades que alcanzaba. La retirada de este avión se debió, aparte de un gravísimo accidente en París, al elevado consumo de combustible para alcanzar su velocidad de crucero de 2.200 km/h, lo que daba lugar a unos elevadísimos costes, que lo hizo prohibitivo y lo sacaron del mercado, a pesar de ir de Londres a Nueva York en unas tres horas.

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PROYECTOS DE AVIONES ECOLÓGICOS Ante el elevado consumo de combustible que representa el transporte en avión, se han realizado diversos proyectos que buscan hasta qué punto un avión puede ser autosostenible desde el punto de vista del consumo energético. En esta línea se presentó en 2007 en Zúrich y posteriormente en Pekín, durante las Olimpiadas, un prototipo de avión, el Solar Impulse, que volará gracias a la energía solar. Constituye un ambicioso proyecto de ingeniería, sin interés comercial inmediato, que supondrá básicamente el desarrollo de nuevos materiales. En verano de 2009 un primer prototipo debería hacer su primer vuelo tripulado, para posteriormente en 2011 hacer su primer vuelo trasatlántico, ya que incluso podrá volar de noche. El prototipo está siendo construido en Lausana, Suiza, pero es una versión reducida de lo que será el avión definitivo. La aventura de este avión, en el que han contribuido 150 científicos, tendrá su momento más importante cuando, poco después, complete su primera vuelta al mundo sin escalas. La versión final del avión, Figura 19.8 a), tendrá 250 metros cuadrados de paneles solares sobre los 80 metros de sus dos alas. Es una envergadura parecida a la del avión comercial más grande del mundo, el Airbus A380, pero con una diferencia: el Airbus pesa 580 toneladas, mientras que el Solar Impulse no llegará a las 2 toneladas. Las células fotovoltaicas que incorporará tendrán que alimentar al avión durante el día y proporcionar, al mismo tiempo, energía a las baterías que lo mantendrán en vuelo por la noche. Las células solares ultrafinas se integrarán en las alas. Estas células no serán corrientes, sino que tendrán una gran flexibilidad para poder adaptarse y hacer frente a las deformaciones y las vibraciones en vuelo. Además, tendrán que ser encapsuladas, es decir, cubiertas con una película plástica protectora para garantizar una eficacia máxima en cualquier condición. La construcción definitiva va a requerir de las tecnologías más avanzadas y permitirá estimular la investigación científica en diferentes ámbitos de la ingeniería, como son en el de las estructuras compuestas, en el de los materiales ligeros e inteligentes o en el de los sistemas de producir y almacenar energía. La idea de este proyecto es que, después, todos es-

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Figura 19.8. Aviones solares: a) Maqueta del avión Solar Impulse y b) el avión solar Sunseeker II en la pista del aeródromo de Buttwil, cerca de Zúrich.

tos adelantos puedan ser usados en la construcción de otros aviones o en otras aplicaciones de utilidad para la sociedad. Otro proyecto distinto, aunque en esta misma dirección, el Sunseeker II (el buscador solar) es un pequeño avión que pesa solo 150 kilos, Figura 19.8 b), y también se mueve con energía fotovoltaica. Es una competencia indirecta para el Solar Impulse, ya que el Sunseeker II ha sido diseñado para mostrar la utilidad de la energía solar fotovoltaica y las posibilidades que abre en el futuro del transporte en avión. A mediados de abril de 2009 el Sunseeker II cruzó Suiza sobrevolando los Alpes, para llegar a Turín, de donde volvió a Zúrich. Esta previsto que próximamente el avión se des-

place a Hungría y a Eslovenia a través de las Dolomitas. El periplo europeo culminará con un vuelo sin escalas entre Zúrich y Barcelona a mediados de junio del 2009. El avión dispone de varias baterías de litio que se usan para el despegue y la toma de altura. Solo cuando alcanza los mil metros comienza a utilizar únicamente la energía fotovoltaica. Alcanza una velocidad de crucero de 60 km/h, velocidad que puede ser aumentada si el piloto decide usar las baterías. Por ahora su único objetivo es de batir récords. Sus creadores sostienen que “si puede inspirar a la gente a reexaminar su visión del transporte, ya habrá servido a su propósito”.

Transporte por ferrocarril El ferrocarril a final del siglo pasado estaba en dificultades. En 1996 la Comisión Europea escribía un documento que reflejaba su situación: “El sector ferroviario está en declive y su cuota de mercado, a la baja. El ferrocarril parece tener dificultades para adaptarse a la evolución del mercado y a las necesidades de los usuarios. Sin embargo, sus propias características pueden hacer de él un modo de transporte cada vez más interesante en

Europa. Hay ya muchas posibilidades para mejorar y desarrollar servicios y podrían presentarse nuevas salidas. Para hacer frente a estos retos, la CE necesita un nuevo tipo de ferrocarril”. El Libro Blanco representó un primer relanzamiento, que junto con otros documentos, como el “Tercer paquete ferroviario”, “Proseguir la integración del sistema ferroviario europeo” y la creación de la Agencia Ferroviaria Europea, todos en


2004, daban una gran importancia al sector ferroviario dentro la política del transporte propugnada por la Comisión Europea. Para reforzar, e incluso incrementar, las ventajas ambientales del ferrocarril respecto a otros modos de transporte, es necesario, estiman actualmente los transportistas ferroviarios del norte de Europa, incrementar la investigación y motivar a los fabricantes de trenes. Los aspectos más importantes son: reducir el peso de los vehículos, disminuir el ruido, utilizar materiales respetuosos con el medio ambiente, considerar tanto la reutilización de elementos como el reciclaje, la recuperación energética en el frenado, el diseño aerodinámico del vehículo, el máximo incremento de la capacidad de transporte, el aislamiento térmico de los coches, además de reducir la contaminación y utilizar energías renovables. La UE continúa con la ayuda subvencionando la aplicación de proyectos prioritarios en las redes transeuropeas, la mayor parte de los cuales son proyectos ferroviarios, entre ellos el sistema de gestión del tráfico ferroviario (ERTMS), y elaborando unas directrices apropiadas sobre ayudas estatales para el sector. La cuota de mercado y el empleo en el sector ferroviario se han estabilizado en casi todos los países. La reconversión y los ajustes han hecho necesarios una serie de medidas difíciles desde el punto de vista social, que han dado lugar a una importante reducción de los puestos de trabajo en el sector. Las empresas ferroviarias pueden ahora recuperar su viabilidad a largo plazo internacionalizando sus actividades y centrándose en las necesidades de la economía y la sociedad. Las cifras más significativas del transporte por ferrocarril en Europa en 2004 (datos de la revisión intermedia publicada en 2006 del Libro Blanco) eran: •

•

•

El transporte ferroviario en Europa daba lugar, aproximadamente, a 1.200.000 puestos de empleo directo. El porcentaje de transporte de mercancías alcanzaba el 10% del total, con un crecimiento del 6% entre 1995 y 2004. En cuanto a los pasajeros se alcanzaba alrededor del 7% del total, del que el 6% correspondía a los trenes interurbanos (los trenes de alta velocidad representaban mas

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de la quinta parte, con el 21,5%) y el 1% en tranvía y metro. El crecimiento entre 1994 y 2004 fue del 9%, los interurbanos con un 8% y un 14% en el tranvía y el metro. En España la infraestructura ferroviaria transcurre a lo largo de unos 16.000 km, la mayoría de la red está operada por RENFE, las vías estrechas por FEVE y otras en algunas comunidades autónomas, como los FGC en Cataluña. España tiene la particularidad de que ha realizado su mayor parte de la red con la llamada vía ancha de 1.668 mm (unos 12.800 km). Con el AVE se ha utilizado el ancho europeo estándar de 1.435 mm. En España se refleja, en 2007, un aumento de la utilización del ferrocarril, en parte debido al AVE, y del metro en las grandes ciudades. Para situar la importancia del ferrocarril respecto a otros medios de transporte, en su vertiente de pasajeros, se deben consultar las Tablas 18.1 y 19.2 y la Figura 18.3, mientras que en su vertiente del transporte de mercancías debe recurrirse a la Figuras 18.2 y 18.3 y a las Tablas 18.1 y 19.3. Para valorar el consumo específico se puede acudir a la Figura 19.1, donde se indica un consumo de 0,6 MJ/km-viajero tanto para el tranvía como para un tren regional, más adelante también se aporta información relativa a varios sistemas de transporte en la Figura 19.10 y en las Tablas 19.7 y 19.8. No hay que olvidar en este apartado el metro y el resurgir del tranvía, que hace muchos años comenzó a desmantelarse en muchas ciudades y ahora vuelve a irrumpir con fuerza, como por ejemplo en Barcelona, en línea del fomento de la sostenibilidad. El incremento de la utilización de estos sistemas de transporte, con importantes índices de crecimiento en estos últimos años en ciudades como Barcelona, Madrid, Bilbao, como se ha comentado anteriormente, se está potenciando mucho más en esta época de crisis. Desde un punto de vista energético y ambiental se está imponiendo el metro y el tranvía al autobús. En efecto, el elevado consumo y la polución que producen los autobuses con la utilización de combustibles fósiles frente al tranvía o el metro, que junto a ser rápidos, silenciosos y confortables están experimentando grandes mejoras tecnológicas (conducción automática sin conductor en el metro…), utilización de nuevos materiales, elec-

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trónica, su bajo rozamiento en el desplazamiento, con el aprovechamiento de la energía en la frenada, y sobre todo la utilización de la electricidad como combustible, los convierten en sistemas de transporte casi ideales a pesar de la fuerte inversión inicial. El grado de sofisticación ha llegado a tal punto que se está en vías de sustituir la típica catenaria de los tranvías para su alimentación eléctrica por una alimentación por el suelo, por medio de la transferencia eléctrica por inducción a través de un cable soterrado (en la ciudad alemana de Bautzen, con tecnología de la empresa canadiense Bombardier), o por acumuladores de energía, baterías, en el propio convoy (limitados a trayectos cortos de 800 metros o incluso de 2,5 km, como en Lisboa, fabricado por Siemens) o sistemas de acumulación con recarga rápida realizada en las paradas. Este último sistema ha sido desarrollado por la empresa española CAF con la colaboración de la Universidad de Zaragoza y el Instituto Tecnológico de Aragón (ITA). Este utiliza el tiempo de parada, unos 25 segundos, y mediante supercondensadores, se carga el acumulador del tranvía con energía suficiente para desplazarse hasta la parada siguiente. Este sistema está en pruebas en Sevilla y se prevé implantarlo en 2010. También Alston lleva implantado un sistema desde 2003 con un especial tercer rail por el suelo, situado entre vías, que está dividido en segmentos que se electrifican cuando el tranvía pasa por encima y no supone ningún peligro para los peatones. Este sistema está en funcionamiento en ciudades como Burdeos, Reims o Dubai. Cuando se comente la eficiencia del transporte marítimo, se realizarán varias comparaciones entre diferentes tipos de transporte, entre ellos el transporte ferroviario, en las Tablas 19.7 y 19.8.

PRESENTE Y FUTURO DEL FERROCARRIL El ferrocarril ha demostrado sus ventajas en el sector del transporte de pasajeros, sobre todo en las conexiones de alta velocidad entre centros urbanos. La ampliación abre perspectivas de nuevas conexiones ferroviarias de larga distancia (más de 500 km) que, combinadas con una logística eficaz, pueden competir con el transporte por carretera para ofrecer un servicio de puerta a puerta respetuoso con el consumo y el medio ambiente. La Comisión examinará un posible programa dedi-

cado a promover una red de transporte ferroviario orientada a las mercancías dentro del contexto más amplio de una nueva política de logística de transporte de mercancías. Para España, en el Libro Blanco, se preveían ya diversas actuaciones en el ferrocarril, como 7.800 km en líneas nuevas y adaptadas de alta velocidad con inversiones de 29.600 millones de euros, o los 180 km en la travesía de los Pirineos a finalizar antes de 2020. Según la Comunidad de Ferrocarriles Europeos (CFE), el ferrocarril aprovecha mejor la energía que otros medios de transporte, al tiempo que produce también menos emisiones contaminantes. En el documento elaborado por la CFE, también se afirma que el sector del transporte es responsable del 25-30% del consumo total de energía, de ahí los intentos por parte de la mayoría de los gobiernos de transferir los tráficos de la carretera al ferrocarril. Según se desprende de los estudios realizados, es posible aumentar la velocidad de los trenes de viajeros sin que ello signifique incrementar también el consumo de energía. Buena muestra de ello es el tren sueco X 2000, cuya velocidad ha aumentado de 110 a 152 km/h, pero ha mantenido el mismo nivel de consumo energético que los trenes Intercity más antiguos. La experiencia alemana con trenes basculantes en líneas adaptadas para mayor velocidad confirma también que es posible ahorrar energía, y lo mismo puede decirse de los nuevos trenes daneses S-Bana, que acortaron sus tiempos de viaje a la vez que el consumo de energía se redujo en un 40%. El documento de la CFE señala que el frenado regenerativo (reaprovechamiento de la energía eléctrica que se utiliza al frenar) es una herramienta importante para el ahorro de energía en países montañosos y en aquellos donde existen tráficos densos. En Suiza, por ejemplo, el 95% de la flota de vehículos de tracción de los ferrocarriles incorpora frenado regenerativo, mientras que los índices de recuperación (energía regenerada/consumida) de las locomotoras modernas en distintas líneas suponen entre un 20 y un 40%. En esta línea Renfe prevé extender a todos sus trenes de AVE el sistema de “conducción económica” que actualmente tiene implantado en el AVE Madrid-Sevilla y que le permite un ahorro de consumo en energía de tracción. El sistema está basado en un aprovechamiento inteligente de la inercia


de los trenes, de la energía cinética acumulada y de la orografía del terreno, con las que, según la operadora, se logra que el tren circule sin consumir energía en la mayor parte del viaje, entre un 35% y 54% del total de su recorrido. Así la conducción económica y los frenos regenerativos son dos de las iniciativas que Renfe está llevando a cabo en su política de ahorro de energía, con la que reducirá en un 9,1% su consumo energético específico (consumo por unidad de transporte) y que estudia extender a todas las líneas AVE en los próximos años. Los efectos de la alta velocidad también han sido analizados, y aunque se considera que la construcción de dicha red conducirá a un aumento del consumo de electricidad del ferrocarril, también está claro que el incremento se verá compensado por una caída del consumo en otros modos de transporte. Como consecuencia de ello, la introducción de la alta velocidad en Europa se traducirá en un ahorro de energía del 4%, en el año 2010, según un informe de la Unión Internacional de Ferrocarriles (UIC), cuando estén concluidos los tramos clave de la red de alta velocidad. En el sector del transporte ferroviario de mercancías existen estudios al respecto en Francia, donde la nueva «autopista ferroviaria» supondrá anualmente un ahorro de entre 124 y 918 millones de litros de combustible en el año 2010. Según el estudio de la CFE, países como Austria, Suecia o Suiza, cuyos ferrocarriles cuentan con un alto nivel de electrificación, constituyen un buen ejemplo para el futuro de la energía renovable en Europa. En Suecia, se ha electrificado recientemente la línea Malmö-Ystad y una parte del consumo energético necesario se completa con energía eólica producida en estaciones situadas en las proximidades de la línea.

ASPECTOS AMBIENTALES EN EL DISEÑO DE FERROCARRIL La reducción de la masa del tren, además de minimizar consumo energético, influye también positivamente en la reducción de la transmisión de vibraciones. Los trenes de viajeros deben construirse lo más ligeros que sea posible, y en el proceso de fabricación se debe medir, calcular y revisar periódicamente la masa del vehículo con el objetivo de no superar el peso máximo previsto.

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La importancia de la aerodinámica del tren y la resistencia que el mismo muestra al aire, respecto al consumo energético, crece con la velocidad de circulación. Si para velocidades de 100 km/h, esta resistencia aerodinámica es muy significativa, al circular a 200 km/h se transforma en un factor crítico. La obtención de la máxima capacidad de transporte se genera estableciendo un compromiso entre confortabilidad y rentabilidad. Para ahorrar energía se debe lograr que el área utilizable por los viajeros sea máxima respecto al área total del tren. Esto se alcanza distribuyendo los motores por todo el tren, fabricando trenes de dos pisos, o construyendo trenes con la máxima anchura admitida por el gálibo de la infraestructura. El incremento de la capacidad de transporte también se logra en la planificación de los servicios de transporte a través de gestionar la demanda y evitar la mera gestión de la oferta. Asimismo se puede contribuir a un aprovechamiento máximo de la capacidad de transporte de los trenes utilizando vehículos de alta flexibilidad en la conformación de las composiciones más adecuadas para cada hora del día y para cada demanda de transporte. Alcanzando una máxima cantidad de asientos por cada unidad de peso del tren y reduciendo la masa total por asiento, se incide también positivamente en la disminución del consumo de energía. El freno eléctrico reostático, sistema habitual de freno en los trenes eléctricos actuales, genera electricidad durante el frenado del tren, que puede ser devuelta a la red en función de las condiciones existentes en la catenaria en cada momento. La cantidad de energía generada durante el frenado depende del tipo de tren, número de ejes motores, tipo de voltaje utilizado, tipo de tráfico y morfología de la línea. Los trenes con motorización distribuida, debido al gran número de ejes motores que presentan, son mejores en este aspecto. El aislamiento térmico de los coches depende del clima donde los trenes vayan a ser utilizados. En general, se aprovecha al máximo la climatización reduciendo el tiempo de mantenerse abiertas las puertas en las paradas. Para reducir este tiempo es posible instalar sistemas automáticos de cierre de puertas cuando se haya superado un cierto tiempo sin ser franqueadas. También es posible aprovechar al máximo la climatización forzando la circulación del aire y ajustando automáticamente la tempera-

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tura interior respecto a la temperatura exterior y al número de personas que viajan en el tren. Los fabricantes de convoyes deberán aportar a las empresas de transporte ferroviario la lista de materiales propuestos para la fabricación de los trenes con las recomendaciones de uso existentes en la normativa vigente y las restricciones que correspondan. Por ejemplo, el cobre podrá ser utilizado en instalaciones eléctricas, pero no debería ser aplicado en la fabricación de pastillas de frenos ya que su dispersión a la atmósfera, al agua y al suelo es muy nociva. Todo material propuesto para la fabricación de trenes debe ser evaluado también ambientalmente. El uso de ciertas sustancias está regulado por convenios internacionales, como le pasa al arsénico, cadmio, cromo, cobre, plomo, mercurio, níquel, zinc y sus compuestos. Otras substancias forman parte de los materiales de alto impacto ambiental como acontece, en general, con los compuestos orgánicos halogenados. Para reducir el consumo de recursos naturales y la contaminación, el fabricante del tren deberá definir el tiempo de vida útil de los convoyes, las necesidades de reposición de los componentes que sufren desgaste o se consumen y la posible generación y dispersión de contaminantes durante la explotación del vehículo, adjuntando los potenciales de reutilización y de reciclado que tienen los equipos y materiales utilizados.

LA ALTA VELOCIDAD El tren de alta velocidad representa en muchos itinerarios una alternativa muy atractiva al avión en materia de tiempo, precio y comodidad, sobre todo si se tiene en cuenta el tiempo necesario para acceder a los aeropuertos desde los centros urbanos. En contra de una idea extendida, la alta velocidad no es solo interesante para los viajes inferiores a tres horas. La Figura 19.9 indica que la cuota de mercado del avión entre Madrid y Sevilla pasó del 40% al 13% tras la entrada en servicio de la línea de alta velocidad (AVE). Además se observa que el aumento de pasajeros en tren afecta también al transporte en automóvil que disminuye, y algo en el del autobús. Asimismo, entre París y Bruselas, desde la entrada en servicio del Thalys, la cuota del automóvil se había reducido en un 15% aproximadamente. Por consiguiente, el objetivo de la planificación de la red debería aprovechar la capacidad del tren de alta velocidad para sustituir al transporte en automóvil y animar a las compañías ferroviarias, a las compañías aéreas y a los gestores de los aeropuertos a apostar por la cooperación, y no solo por la competencia, entre el transporte ferroviario y el transporte aéreo. En un estudio, publicado en la revista Anales de Mecánica y Electricidad, se demuestra que en varios corredores (Madrid a Sevilla y a Barcelona, entre otros), el tren de alta velocidad es el medio más eficiente desde el punto de vista energético, y es el que menos CO2 emite por cada pasajero

Figura 19.9. Porcentaje de pasajeros que utilizan los distintos sistemas de transporte entre Madrid y Sevilla antes y después de la puesta en servicio de la línea del AVE entre ambas ciudades (Fuente: Libro Blanco).


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Figura 19.10. Emisiones de CO2 por viajero en distintos trayectos y sistemas de transporte, avión, coche, bus, tren convencional y tren de alta velocidad (TAV), con una ocupación (proyecto Enertrans).

transportado, superando incluso al ferrocarril convencional, más si se tiene en cuenta el alto grado de ocupación de los trenes rápidos y sus pocas paradas frente, por ejemplo, a un tren regional con tasa muy inferior de ocupación. Así, un viajero que recorre la ruta Madrid-Barcelona en avión emite a la atmósfera una media de 70 kg de CO2, mientras que si utiliza el tren de alta velocidad hará que se lancen a la atmósfera cerca de 14 kg de este gas de efecto invernadero, como se observa en la Figura 19.10. Lo mismo ocurre entre Madrid y Sevilla, donde el avión vuelve a ser la solución más contaminante: 60 kg de dióxido de carbono aproximadamente, frente a los 10 del AVE. Otros dos modos de transporte público, el tren convencional y el autobús, obtienen resultados que se acercan mucho a los registrados por el tren de alta velocidad. En el caso del ferrocarril tradicional, las emisiones medias son de 17,1 kg entre Madrid y Barcelona, y de 12,7 kg entre Madrid y Sevilla, mientras que en el del autobús las cifras son de 14,5 y 13,9 kg, respectivamente. Los datos para el vehículo privado son mucho peores, y se acercan bastante a los registrados por el avión: 63 kg hasta Barcelona y 54 kg hasta Sevilla. Para que la comparación resulte plenamente homogénea, el citado informe del proyecto Enertrans utiliza las distancias reales que recorren los vehículos de cada tipo en una misma ruta, y en el caso del avión y del tren, se calculan incluso las emisiones que realiza un vehículo (como un taxi,

por ejemplo) para llegar desde un punto en el centro de cada una de las ciudades estudiadas hasta la estación de ferrocarril o el aeropuerto. Para alcanzar estas conclusiones, el informe se basa en datos reales del consumo energético de los trenes de alta velocidad y de los otros cuatro modos de transporte utilizados: vehículo particular, autobús, avión y tren convencional. Asimismo, como los trenes son de tracción eléctrica, se tuvo en cuenta la parte de electricidad del mix energético español que se genera con fuentes fósiles (carbón, petróleo y gas), con el fin de homologar este consumo de energía primaria con el petróleo empleado para el transporte por carretera y para el avión. Otro factor que incide en el consumo es que la tensión de la línea eléctrica del AVE es mayor que la de la línea convencional (25 kilovoltios, frente a 3 kilovoltios), con lo cual se reduce la pérdida de electricidad e igualmente hay menos pérdidas en la catenaria. También, es importante que los trenes del AVE tienen velocidades más homogéneas, casi no hay frenazos y tienen muchas menos paradas, con lo cual no se producen tantas aceleraciones y frenadas, que generan un gran consumo (de la misma manera que las paradas y los arranques de un coche hacen que este consuma más en la ciudad, a menor velocidad, que en carretera). Aunque evidentemente las emisiones de CO2 no constituyen una medida relativa de consumos, sí dan una idea de estos. Así, como conclusión de

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Figura 19.11. a) Tren AVE de la serie S 102 y b) tren AVE de la serie S 103.

la Figura 19.10, a pesar de que muestra cierta dispersión de resultados, los trenes de alta velocidad, los AVE, llegan a emitir por viajero, y por tanto consumir, menos incluso que los trenes convencionales y los autobuses. Estos resultados promediados por km recorrido real, muestran que el avión es el que más contamina, alrededor de 5,1 veces el TAV (tren de alta velocidad), y el coche se acerca con 4,47 veces el del TAV. La inauguración, en 2008, de la línea de tren de alta velocidad entre Barcelona y Madrid, Figura 19.11 a), supone una evidente mejora para el consumo energético y el medio ambiente. Desde su

inauguración, en tres meses el corredor del AVE Barcelona-Madrid ha superado los 1,3 millones de usuarios, llevándose del puente aéreo el equivalente a catorce aviones diarios, y situando en torno al 30% la cuota de mercado ganada por el AVE. Al año de la inauguración la cuota llegaba al 50%. El corredor Barcelona-Madrid es y será uno de los más transitados de España, y las previsiones de tránsito, como muestra la Tabla 19.6, prevé que en cuatro años se produzca un incremento del tráfico total de pasajeros de un 30%, sin embargo las emisiones solo aumentarán un 11,2%.

Tabla 19.6. Incidencia de la alta velocidad en el corredor Barcelona/Madrid y su impacto en la emisión de CO2.

Pasajeros en coche

2006

2010

9.900.000

11.400.000

4.300.000

3.500.000

Emisión CO2 por coches (t/año) Pasajeros en avión Emisión CO2 por avión (t/año) Pasajeros en tren

2.700.000 1.300.000

900.000

18.200.000

23.700.000

Emisión CO2 por autobús (t/año) TOTAL

2010

1.930.500

2.223.000

1.006.200

819.000

126.360

369.720

7.900.000

Emisión CO2 por tren (t/año) Pasajeros en autobús

2006

16.900

Incremento pasajeros (2010/2006) Incremento emisiones (2010/2006)

3.079.960

3.423.420

30,2% 11,2%

$ % El tráfico marítimo permite el transporte de grandes cantidades de mercancías, a largas distancias y a precios bajos, comparados con los de otros medios de transporte. Hoy en día está centrado casi exclusiva-

mente en el transporte de mercancías: la marina mercante, y el transporte de pasajeros se reduce a pequeños trayectos en transbordadores rápidos, a los cruceros de vacaciones y los pequeños yates y veleros.


La marina mercante tiene un marcado carácter internacional, ya que las aguas territoriales de los países llegan hasta un máximo de 300 millas, y el resto son aguas internacionales. Así, muchos barcos navegan bajo “bandera de conveniencia”, es decir, bajo la bandera de países que no controlan la calidad del barco, y cobran pocos impuestos, como Panamá o Liberia. La marina mercante se ha beneficiado mucho del transporte intermodal, esto es, cerrados en contenedores, con matrícula para su control, capaces de ser apilados y transportados en barco, en vagones de trenes o como caja de un camión. Los contenedores facilitan la carga, descarga y almacenamiento de las mercancías, especialmente si estas son heterogéneas o requieren de cuidados especiales. Los flujos de transporte más intensos están en los mares interiores, en los que es posible trayectos cortos: Mediterráneo, Caribe, Báltico, Indonesia, etc. Las líneas intercontinentales más transitadas son las que unen Estados Unidos con Europa, por un lado, y Japón y el Sudeste asiático, por el otro. En las rutas intercontinentales tienen gran importancia dos canales artificiales: el canal de Panamá y el canal de Suez, que evitan la derrota por el sur de América y África, respectivamente. Algunos de los puertos más importantes del mundo son los de Nueva York, Rotterdam, Singapur, Kobe, Nagoya, Yokohama, etc. Se encuentran en los países ricos y en las grandes ciudades. Los barcos tienen dimensiones muy variadas. Dentro de los mercantes los de mayor tamaño son los petroleros, de los que hay diversos tamaños, los ULCC (Ultra Large Crude Carrier), con una capacidad de más de 300.000 toneladas, otros son más pequeños para transitar por ciertos canales, como el Suezmax (125.000 y 200.000 toneladas), o el Panamax (50.000 y 79.000 toneladas). Los barcos de pasajeros más grandes pueden alcanzar los 100.000 toneladas de desplazamiento, como el “Queen Mary 2” o el “Freedom of the Seas”. El transporte fluvial y de las aguas interiores (lagos) es muy importante en las regiones con grandes lagos y ríos anchos caudalosos y regulares. Es particularmente importante para los países de América, en donde muchas veces se convierte en la vía de comunicación principal entre determinadas zonas. Transporta tanto pasajeros como mercancías. Los puertos no están tan especializa-

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dos como en el caso del transporte marítimo, pero hay muelles para el embarque de pasajeros, de sus vehículos, de las mercancías, etc. Los barcos que navegan por ríos y lagos necesitan un conocimiento muy exacto de las características del río, bancos de arena, corrientes, etc., que, normalmente, son cambiantes. Para sortear estos inconvenientes suelen tener un menor calado y un fondo más o menos plano. Además, existen complejas infraestructuras para salvar rápidos y represamientos de las aguas. El transporte fluvial, que estuvo a punto de desaparecer como medio de transporte de importancia a mediados del siglo XX, se revitalizó gracias a la posibilidad de transporte intermodal que ofrecen los contenedores, que facilitan la carga, descarga y almacenamiento de grandes cantidades de mercancías heterogéneas. El transporte de viajeros tiene un carácter regular en trayectos entre dos puertos del mismo río. Son muchos los ríos navegables en el mundo, y algunos de los más antiguos están en Europa. En los países industrializados los cursos suelen estar acondicionados para facilitar la navegación: rectificación del curso, dragado del fondo, etc. y también hay canales que conectan unos ríos con otros, que multiplican las posibilidades de viaje. Dentro de la Unión Europea los ríos navegables más importantes son el Rin y el Danubio, que están conectados, por lo que a través de ellos se puede navegar desde el Atlántico hasta el mar Negro. También están conectados con el Ródano, con lo que se navega hasta el Mediterráneo. Son además navegables el Elba, Támesis, Po, Sena, Garona, Loira y Dniépper. En Rusia el río Volga, el más largo de Europa, está comunicado mediante canales con otros ríos, con lo que forma una red que une los mares Caspio, Azov, Báltico y el océano Glacial Ártico. De este modo se alcanza una gran región en el transporte fluvial, superándose así el obstáculo que significa el congelamiento de los ríos septentrionales. También son navegables el Obi, Yenisei y Lena, en Siberia. En América del Norte las grandes zonas de navegación fluvial son los Grandes Lagos, el río San Lorenzo, el Misisipi y el Hudson, en cuya desembocadura se encuentra el puerto de Nueva York. En Sudamérica destaca sobre todos el río Amazonas y su afluente el Negro, que llega a comunicar

264


cinco países: Perú, Colombia, Ecuador, Venezuela y Brasil, desembocando en el océano Atlántico. El sistema de los ríos Paraguay y Paraná, que comunica Brasil, Bolivia, Paraguay y Argentina. Además de los ríos Orinoco, Uruguay y Magdalena. En África los principales ríos navegables son el Nilo, el Congo y el Níger, mientras que en Asia se encuentran el Yangtze, Indo, Ganges, Irawaddy, Mae Nam, Tigris y Éufrates. En Oceanía solo se puede mencionar unos pocos kilómetros de los ríos Murray, Darling y Fly, en Australia. Las barcazas de transporte fluvial tienen diversas dimensiones y están adaptadas a las características de cada río. Así, las dimensiones en ríos europeos como el Sena, Rin, Mosa, Escalda, Elba, Oder, pueden alcanzar en los portacontenedores los 135 m de largo por 17 de ancho, y en los convoyes, empujando a 4 barcazas, los 193 m de largo con un ancho de 22,80 m.

TRANSPORTE MARÍTIMO Y EMISIONES Las emisiones de dióxido de carbono procedentes de la flota mercante mundial son casi tres veces superiores a lo que se creía hasta ahora, según un informe de la ONU. Esas emisiones han alcanzado ya 1.120 millones de toneladas de CO2 anuales, lo que representa cerca del 4,5% de la cifra total de emisiones del principal de los gases contaminantes que contribuyen al efecto invernadero. El Grupo Intergubernamental sobre el Cambio Climático había calculado que las emisiones procedentes de ese sector no superaban los 400 millones de toneladas de CO2 anuales. Sin embargo, en el nuevo estudio, llevado a cabo por un grupo de científicos de distintos países, se utilizaron datos mucho más exactos suministrados por las industrias petrolera y naviera a la Organización Marítima Internacional. Los expertos llegaron a la conclusión de que las emisiones no son solo muy superiores a lo previsto, sino que van incluso a aumentar en un 30% de aquí al 2020. Además, las emisiones de esa procedencia no se han tenido en cuenta por los países europeos a la hora de fijar sus objetivos en la lucha contra el cambio climático. Los gobiernos y la Unión Europea en su conjunto han minimizado sistemáticamente el impacto de la flota mercante, señalando que representaba

menos del 2% de las emisiones globales de CO2, razón por lo que no las incluyeron en sus estimaciones nacionales. En adelante, la UE tendrá también que incluir a la industria naviera en su mecanismo de canje de emisiones de CO2. El informe de la ONU indica asimismo que otros contaminantes procedentes de la industria naviera aumentan a un ritmo aún mayor que las emisiones de CO2. Las emisiones sulfurosas y de hollín, que contribuyen a todo tipo de problemas respiratorios así como a la lluvia ácida, se calcula que aumentarán más de un 30% en los doce próximos años. Según el reciente informe sobre el impacto de las emisiones de la navegación en la salud de las personas, 60.000 muertes al año son directamente atribuibles a ellas.

LIDERAZGO DE EUROPA EN EL TRANSPORTE MARÍTIMO Con las dos terceras partes de sus fronteras limitando con el mar, el continente europeo es una economía marítima por excelencia, sobre todo después de la ampliación. El transporte marítimo y fluvial, en particular el transporte marítimo de corta distancia, ha crecido en estos años tanto como el transporte de mercancías por carretera, y cuenta claramente con posibilidades aún más sólidas. Puede ayudar a aliviar la congestión y la presión medioambiental existente en otros modos de transporte, siempre que se reduzcan las emisiones contaminantes. Debido a la longitud de su litoral y al gran número de puertos que tiene Europa, el sector marítimo está demostrando ser una alternativa valiosa al transporte terrestre, tal como ilustra el concepto de “autopistas del mar”, término acuñado ya en el Libro Blanco. Los servicios de portacontenedores han contribuido de forma considerable a este crecimiento; cuentan con importantes posibilidades futuras para operaciones logísticas utilizando las sinergias entre los transportes marítimo y ferroviario y/o el transporte fluvial. El desarrollo del transporte marítimo y del transporte costero se enfrenta a dos problemas principales. En primer lugar, no existe aún un mercado interior del transporte marítimo sin divisiones: los viajes por mar de un estado miembro a otro se consideran exteriores debido a las normativas in-


ternacionales. Esto impide que la UE optimice la reglamentación de su tráfico interno y simplifique el comercio interior. También impide que la navegación costera se integre plenamente en cadenas de logística internas. Habría que utilizar plenamente las aperturas de la legislación internacional para abordar este problema. En segundo lugar, el crecimiento esperado del transporte marítimo deberá ser absorbido por la infraestructura portuaria de la UE. Es necesario realizar mayores inversiones en los puertos y en las zonas interiores circundantes con objeto de mejorar y extender los servicios a fin de que aquellos se conviertan en polos de crecimiento y no en posibles estrangulamientos en los transbordos. La insuficiente capacidad portuaria se podría también resolver aumentando la cooperación entre los puertos europeos y su especialización. Por otra parte, una política de puertos satisfactoria deberá reunir las siguientes características: sólida competencia entre los puertos y dentro de ellos; normas claras sobre la contribución pública a la inversión y un acceso transparente a los servicios portuarios; limitaciones medioambientales y necesidades de desarrollo; disponibilidad de servicios competitivos y aumento del empleo de calidad. Ante esta situación del mercado, la Comisión Europea ha presentado diversos documentos específicos sobre el transporte marítimo y fluvial: el “Programa de fomento del transporte marítimo de corta distancia” y el Libro Verde sobre política marítima, aparte de los documentos generales sobre el transporte (Libro Blanco, Marco Polo, etc.). El primero de ellos data de 2003, fomenta el desarrollo de las “autopistas del mar”, con un transporte marítimo de corta distancia que debería evitar los puntos de congestión terrestre en Europa en el marco de cadenas logísticas globales de puerta a puerta. Estos tendrían que ofrecer servicios eficaces, regulares y frecuentes capaces de competir con el transporte por carretera, en particular, en cuanto a duración del tránsito y precio, pues el transporte marítimo es, en general, menos nocivo para el medio ambiente por cada tonelada o pasajero transportado. En 2006 se presenta el Libro Verde sobre política marítima. Este destaca la identidad y la supremacía marítima de Europa, que es necesario preservar en un periodo en el que las presiones medioambientales amenazan la pervivencia de las

265

actividades marítimas. Así pues, la política marítima debe plantearse como una industria marítima innovadora, competitiva y respetuosa con el medio ambiente. Además de las actividades marítimas, el enfoque propuesto integra también la calidad de vida de las regiones costeras. El Libro Verde plantea a este respecto el desarrollo de nuevos instrumentos y métodos de buen gobierno marítimo. Según una estimación contemplada por la Comunidad Europea, los sectores relacionados con la explotación de los mares representan entre el 3% y el 5% del producto interior bruto de la Unión Europea (UE), que ocupa el primer lugar mundial en los siguientes ámbitos: •

• •

•

•

Transporte marítimo (dada la magnitud de los intercambios comerciales por vía marítima). Turismo costero (ya que dos tercios de las fronteras de la Unión son costas). Producción de energía en el mar (gracias a los recursos de gas y petróleo del Mar del Norte). Técnicas de construcción naval (por la construcción de buques excepcionales por su complejidad, su seguridad y su incidencia medioambiental). Servicios conexos (gracias a los conocimientos técnicos sobre tecnologías marinas).

La UE es líder mundial en la reglamentación del sector del transporte y puede proyectar sus conocimientos técnicos y sus mejores prácticas sobre otras regiones del mundo. Ejemplos recientes de éxito son el acuerdo alcanzado en la Organización Marítima Internacional (OMI) de prohibir los buques petroleros de casco único, y el conseguido en la Organización Internacional del Trabajo (OIT) en relación con la observancia de las normas laborales en el sector marítimo. Además, la UE es líder en varios ámbitos que se pueden seguir desarrollando, como la construcción de buques de crucero, las energías renovables y los puertos. La Comisión se basará en el debate suscitado por el Libro Verde para desarrollar una estrategia integral de transporte marítimo en torno a un “espacio marítimo común europeo”. Esta política irá dirigida a eliminar los obstáculos al mercado interior, a permitir que la UE establezca unas estrictas

266


normas sociales, medioambientales, de seguridad y de protección, y a fomentar una infraestructura competitiva y el desarrollo del sector del transporte marítimo sin dejar de tener presente el contexto global en el que se inscribe. Los principales puertos europeos son los de Rotterdam en el Atlántico y Marsella en el Mediterráneo. El transporte por vías navegables en la UE es un socio natural del transporte marítimo y desempeña un papel cada vez mayor en los grandes puertos del Mar del Norte, que traen o se vuelven a llevar por este medio gran parte de su tráfico de contenedores. El transporte fluvial, preferentemente de mercancías, solo supone el 3% del total, pero esta cuota llega a más del 40% en determinados corredores de transporte. La Unión Europea dispone de una baza natural sólida: una red densa de ríos naturales y de canales que unen las cuencas de los ríos Sena, Rin, Mosa, Escalda, Elba, Oder, con desembocadura en el Atlántico y en el Mar del Norte y que, desde hace poco, está conectada con la cuenca del Danubio por el canal Rin-Meno-Danubio. Por ejemplo, en medio día, los buques pueden cubrir la distancia de 225 kilómetros que separan Duisburg (Alemania) de Rotterdam (Países Bajos), sin tener que depender, como los demás modos, de las condiciones de tráfico. En 2004 esta red representaba ya un 9% del tráfico de mercancías. Si se incluyen los nuevos países de la UE se transportan anualmente más de 450 millones de toneladas. En algunos países que no están conectados con la red norte-oeste europea, las cuencas cautivas, en particular las del Ródano, el Po o el Duero, presentan un interés creciente para la navegación regional y para el transporte fluvial-marítimo, sector en el que se registra un rebrote de actividad, gracias a los avances técnicos en el diseño de los buques, capaces de navegar en ambos medios acuáticos. Se trata de un modo que consume poca energía, requiere poco espacio y no es ruidoso. Las cifras más significativas del transporte marítimo y fluvial en la UE (datos básicos manejados en la revisión intermedia del Libro Blanco, publicada en 2006) son: •

El transporte marítimo da lugar a un empleo directo de 200.000 puestos de trabajo, el 80% en el marítimo y el 20% en vías navegables.

•

•

•

•

En el transporte de mercancías marítimo y fluvial representa el 42% del total, del cual el 39% corresponde al marítimo y el 3% a las vías navegables interiores, ambos valores más o menos estables. El porcentaje del transporte de pasajeros es menor del 1% del total dentro de la UE. Las vías interiores tienen el 0,5%. El crecimiento entre 1995 y 2004 fue del 29% en el transporte de mercancías (el 31% en el transporte marítimo interior de la UE, y el 9% en las vías navegables interiores). El crecimiento medio anual del tráfico de contenedores mundial entre 2001 y 2004 fue del 13,5%. La eficiencia de los barcos de las vías navegables interiores es de 17,5 tep/mk • km.

LA ACTIVIDAD DEL TRANSPORTE MARÍTIMO EN ESPAÑA En España el tráfico total de mercancías, en el año 2003, alcanzó las 368,4 Mt. La flota mercante propia es de solo 130 barcos, que no cubren esa cifra por lo que la dependencia del exterior es total. En este año los puertos más importantes en volumen fueron los de Algeciras (cerca de 57 Mt), Valencia y Barcelona. Sin embargo estos han ido sufriendo grandes cambios especialmente en el Mediterráneo, permitiendo a varios de los servicios que se prestan en esa fachada el duplicar las frecuencias de los mismos. Por ejemplo, puertos como el de Barcelona han pasado en poco más de un año de acoger no más de 300.000 toneladas de mercancías transportadas en servicios de cabotaje (Short Sea Shipping: SSS) a poco más de dos millones de toneladas en el año 2005. En la actualidad, con los datos disponibles se puede afirmar que además de los servicios que ya existían y que se siguen prestando, existen 24 servicios de cabotaje que unen las dos fachadas españolas, atlántica y mediterránea, con el resto de la Unión Europea. Estos servicios están prestados por doce empresas navieras y unen ocho puertos españoles (Barcelona, Tarragona, Valencia, Vigo, Gijón, Santander, Bilbao, Pasajes) con otros puertos de la Unión Europea. Respecto al tráfico de pasajeros en el transporte marítimo de cabotaje en España de la Tabla

267


19.4, vista anteriormente, se indica que en el mes de febrero de 2008 existía un crecimiento interanual de cerca del 10%. En esta tabla también se puede observar cómo, a grandes rasgos, el transporte marítimo es cerca de diez veces inferior al aéreo y 100 veces inferior al del ferrocarril. Sin embargo no hay que infravalorar este transporte. El puerto de Los Cristianos (Tenerife) fue el de mayor tráfico de pasajeros en 2006, y el de Barcelona con 1.402.643 pasajeros, el de mayor tráfico de cruceros, convirtiéndose en el principal puerto de cruceros del Mediterráneo, y uno de los puertos más importantes del mundo en este tipo de tráfico. La actividad fluvial en España es testimonial en el Guadalquivir desde Sevilla hasta la desembocadura, y en el Ebro en sus últimos kilómetros. Anecdóticamente en la Exposición (ExpoAgua) de Zaragoza de 2008, se puso en marcha un transporte fluvial para visitar la exposición.

CONSUMO ENERGÉTICO: LA EFICIENCIA DEL TRANSPORTE MARÍTIMO Y FLUVIAL El transporte marítimo y fluvial es importante básicamente para el transporte de mercancías. El marítimo transoceánico no tiene competencia con el transporte aéreo desde el punto de vista energético; en realidad son dos mundos diferentes, en el

marítimo prima el coste y el consumo energético mientras que en el aéreo prima el tiempo y es muchísimo más costoso y con un gran consumo de energía. En cambio sí entra en competencia en muchas situaciones el transporte de mercancías marítimo de corto alcance y el fluvial con el ferrocarril y el camión. En los siguientes párrafos se exponen algunas de las valoraciones que se han publicado, en todos ellos se refleja la gran ventaja del transporte marítimo y fluvial. Un estudio realizado hace pocos años por Grimaldi en el marco del European Climate Change Programme, Working Group Transport, Topic Group 3, titulado Reducing CO2 emissions in Europe through a door-to-door service based on short sea shipping, demostró que para una misma conexión, la opción intermodal, basada en la navegación de corta distancia, era 2,5 veces menos contaminante en materia de emisiones de CO2 que la opción vial. También la ADEME (Agence Française de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie) hacía pública una valoración en el mismo sentido sobre la eficacia energética del transporte fluvial en comparación con los otros competidores terrestres: un kilo de petróleo permite desplazar a un kilómetro 50 toneladas para un camión, 97 toneladas para un vagón de ferrocarril y 127 toneladas en una vía de agua. En la Tabla 19.7 se realiza una comparación de eficiencia en términos relativos entre los dis-

Tabla 19.7. Comparación de la diferencia del transporte fluvial con el ferrocarril y el camión. (Fuente: CAF, 1998. Los ríos nos unen. Integración fluvial suramericana; Boletín de la A.G.E. 2006, nº 42). PARÁMETROS DE EFICIENCIA COMPARATIVA ENTRE DIFERENTES MODOS DE TRANSPORTE Elemento de comparación

Fluvial

Ferrocarril

Camión

5

0,5 a 1

0,15 a 0,20

100

300

500 a 700

1 convoy

13 trenes

500-700

Índice de comp. de la cantidad de material necesario para construir un vehículo

100

270

155

Índice de comparación de la vida de servicio de los vehículos

100

60

20

Índice de comparación de accidentes fatales

100

175

4.463

Índice de comparación de contaminación del aire

100

177 a 199

330

Índice de comparación de contaminación del agua

100

100

540

Índice de comparación de contaminacuión acústica

100

900

200

Índice de comparación de la tripulación para operar el vehículo

100

500

Mucho mayor

Índice de comparación de costes del transporte

100

150 a 500

Mucho mayor

Toneladas por kilómetro desplazadas por 1 HP Índice de comparación de consumo de combustible Vehículos necesarios para transportar 26.000 t

268


tintos sistemas de transporte, que aunque es algo antigua, pues data de 1998, pone de relieve las ventajas del transporte fluvial, siempre que sea posible, en todos los aspectos: energético, medioambiental, vida de servicio, etc., y en el coste. En esta tabla la eficiencia energética es mayor, del orden de más del doble, en el transporte fluvial respecto al ferrocarril y el camión que en las dos anteriores propuestas. En parte puede justificarse por barcazas de mayor tamaño en Sudamérica, en comparación con las de las europeas, que admiten ríos como el Amazonas o el río de La Plata, y también por los ferrocarriles, camiones y carreteras; más viejos y en peores condiciones que los europeos. En el transporte marítimo es habitual utilizar motores diesel con fuelóleo. En algunos barcos se usan turbinas para la propulsión, y dentro de esta variante hay alguno en que se ha conectado a un grupo generador que va a un motor eléctrico acoplado a la hélice. En los barcos es habitual indicar el consumo del combustible en gramos por kWh, los valores oscilan entre los 165-170 g/kWh para los motores lentos a fuelóleo (propulsión principal) y los 170180 g/kWh para los motores medios a diesel lige-

ro (auxiliares, generadores). El portacontenedores Emma Mærsk, uno de los más grandes del mundo, (397,7 m de longitud con capacidad para transportar más de 11.000 contenedores) consume 163 g/ kWh, dispone de un motor de 14 cilindros de 96 cm de diámetro y 80.080 kW de potencia. Como caso muy interesante conviene comentar que los LNG (Liquefied Natural Gas carriers) pueden consumir parte de la carga que se les va evaporando. La eficiencia del transporte marítimo (representada por los grandes portacontenedores) en comparación con los otros tipos de transporte está reflejada en la Tabla 19.8, donde se ha añadido la correspondiente gráfica de los kilómetros que se pueden recorrer transportando una tonelada con un kWh. Evidentemente esta gráfica también es la misma si se le da como título “toneladas transportadas por kilómetro recorrido con 1 kWh” y como título de abscisas se sustituye los kilómetros por el de toneladas. En esta tabla se observa cómo los grandes transportadores consumen casi 150 veces menos que un avión a igual de carga. También cómo un camión consume alrededor de 2,6 a 4,2 veces más que el ferrocarril, valores que en sus extremos se aproximan a los de ADEME y a la Tabla 19.7.

Tabla 19.8. Comparación de los consumo de distintos sistemas de transporte: marítimo (portacontenedores), tren, camión y avión. (Fuente: Maerksline, y Network for transport Environement, NTM). CONSUMO DE DISTINTOS SISTEMAS DE TRANSPORTE EN KWH/TKM Portacontenedores Tipo PS (11.000 cont)

Portacontenedores Tipo S (6.600 cont)

Tren eléctrico

Tren diesel

Camión pesado

Boeing 747-400

0,014

0,018

0,043

0,067

0,18

2


A pesar de que el transporte marítimo es el modo de transporte más eficiente, se busca continuamente reducir su coste. Cada vez se realizan barcos más grandes; la misma tabla refleja la mayor eficiencia de los portacontenedores más grandes que últimamente se están construyendo. En los barcos se utilizan los sistemas de recuperación de calor y se conocen como calderetas de gases de escape. También se ha generalizado desde hace años el empleo de turbinas para la sobrealimentación de los motores diesel, turbo-chargers, accionadas por los gases de escape de los motores diesel. El diseño fluidodinámico es muy importante y se realizan mejoras debidas a los ensayos en canales y piscinas especializados, donde se modelizan los barcos y simulan las olas, etc. En España hay dos en Madrid, el canal del Pardo y el canal de la Escuela de Ingenieros Navales. En Barcelona también hay un canal en la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, aunque se utiliza para temas de oleaje, costas, estructuras, etc. Una de las mejores aportaciones en el campo de la hidrodinámica son las hélices del tipo CLT (Contracted Loaded Tip propellers), Figura 19.12, que tienen una visera transversal al final de cada pala que mejora el flujo, y una distribución de empuje a lo largo de la pala diferente de las convencionales. Según la ingeniería naval española Sistemar, que las diseñó, proporcionan una mejora de entre un 7 al 12% (reducción del consumo a la misma velocidad).

269

NAVEGACIÓN MERCANTE A VELA Se trata de una especie de regreso a la vieja era marítima con la utilización del viento, que cayó en desuso hace un siglo cuando los sistemas de navegación a vela perdieron la batalla del transporte comercial frente a los modernos sistemas de propulsión a vapor. Hoy, sin embargo, algunos astilleros han iniciado una revolución en los sistemas de propulsión de buques, como el Beluga. Para aprovechar la zona de vientos en altura, más fuertes que los de la superficie, el parapente asociado a un sistema de gobierno de alta tecnología, puede volar hasta 300 metros de altura para “remolcar” un buque de 10.000 toneladas hacia delante, complementando su sistema de propulsión diesel y reduciendo el consumo de combustible. Bajo condiciones favorables de viento, el dispositivo de forma de paracaídas de 160 metros cuadrados de superficie puede reducir los costos de combustible en un 20% o más (del orden de 1.600 US dólares diarios), y reducir en un porcentaje similarmente significativo las emisiones de dióxido de carbono. El buque “Beluga Skysails”, de 132 metros de eslora (Figura 19.13), realizó su viaje inaugural en enero atravesando el Atlántico hacia Venezuela, para dirigirse luego a Boston y regresar a Europa. Propulsado por un parapente gigante (la vela fabricada de fibra sintética ultraliviana es grande como un avión de pasajeros mediano) afirmado a un mástil de 15 metros de altura. El coste del conjunto es de 500.000 euros.

NAVEGACIÓN CON PROPULSIÓN ELÉCTRICA

Figura 19.12. Hélice CLT que permite una reducción del consumo por la mejora del flujo mediante la visera situada en el extremo de cada pala de la hélice.

La idea de los coches eléctricos como alternativa a los impulsados con motor de combustión está llegando a los veleros, y por extensión a pequeñas embarcaciones. Es un primer paso. La empresa Innovanautic ha desarrollado en 2009 un velero prototipo totalmente eléctrico de 11 m de eslora, con una potencia de 7,5 kW, que alcanza una velocidad entre seis y siete nudos, lo que equivale a las prestaciones de un motor diesel de 30 CV. Las placas solares y un pequeño aerogenerador (Figura 19.14), sustituyen al motor diesel, que junto a las baterías y al sistema de gestión

270


Figura 19.13. Sistema de propulsión eólica de buques

de energía garantizan la máxima eficiencia de todas las fuentes de energía. El punto clave consiste en independizar la generación de la energía, que carga las baterías y estas actúan sobre el motor eléctrico que mueve la hélice. El barco ha recibido la certificación de navegabilidad de la Capitanía Marítima de Tarragona. La inversión para esta embarcación oscila entre los 9.000 y los 12.000 euros. Aparte del ahorro del combustible y, por tanto, de no contaminar con los gases y, hay que valorar el avance en la supresión de los posibles vertidos accidentales, de los olores de los gases y del ruido del motor.

Figura 19.14. Velero eléctrico. Impulsado por un aerogenerador y placa solar.

Modelo actual. Sostenibilidad ambiental del transporte

20

EL TRANSPORTE ES EL PRIMER FOCO DE CONTAMINACIÓN EN LAS CIUDADES, TANTO POR LOS CONTAMINANTES EMITIDOS COMO POR EL RUIDO. •

•

• •

•

•

•

El transporte es el primer foco de contaminación en las ciudades, tanto por los contaminantes emitidos como por el ruido. El sector del automóvil es el único que ha registrado tasas importantes de aumento de CO2 en los últimos quince años. En las grandes ciudades españolas provoca el 80% de la contaminación, y según los expertos, dos terceras partes de esta podría estar causada por solo un 20% de vehículos altamente contaminantes. Los principales contaminantes específicos del transporte son: vapor de agua, CO2, CH4, N2O, O3, hidrocarburos no quemados y compuestos orgánicos volátiles (COV). El transporte marítimo emite un valor más bajo por unidad de mercancía transportada que otros medios de transporte, pero también contamina de una forma importante con los vaciados de sentinas y tanques y vertidos de petróleos. El efecto contaminante, a efectos de calentamiento global, de algunos CFC es del orden de hasta 11.000 veces el del CO2, el CH4 lo es 24,5 veces y el N2O unas 320 veces. La legislación europea define los límites para los contaminantes atmosféricos: PM10 (material particulado inferior a 10 Pm) con un valor medio anual inferior a 40 Pg/m3 y un valor medio en 24 horas de 50 Pg/m3, que no deberá pasarse en más de 35 días al año. La realidad es que numerosas ciudades europeas sobrepasan este límite. En 2010 entrará en vigor un valor límite de NO2, precursor de ozono, de 40 Pg/m3. Los nuevos carburantes con menor contenido de S, con aditivos oxigenados (como el EMTB), los catalizadores y el control computarizado de la combustión, dan lugar a una mejor combustión y a una menor emisión de contaminantes. En las gasolinas se ha eliminado el Pb, aunque continúan cantidades de tóxicos como el benceno y tolueno, y en el diesel se emite mucho material particulado. Un vehículo con un consumo de 7 l/100km, si circula unos 10.000 km al año emite: 31 kg de gases al día (11,3 toneladas al año, con 1,46 toneladas de CO2, equivalentes a 146 g de CO2/km). La nueva normativa de 2012 va a imponer los 120 g CO2/km a los fabricantes de vehículos, con sanciones importantes para los que la superen. Los automóviles producen gran cantidad de residuos, tanto en la fase de servicio como en su desguace. Antes de 2005 la recuperación debía ser del 85% del peso, y debería pasar al 95% en 2015, aunque los fabricantes lo consideran difícil en el aspecto global de los residuos que puede generar en su ciclo de vida. Los residuos del automóvil rondan los 60 kg/persona y año.

272


Introducción El transporte, en especial por carretera, es el gran consumidor de energía y por ende generador de contaminación. Por ello es evidente que su gran impacto sobre el medio inmediato en el que vierte: la atmósfera.

Figura 20.1. Comparación, a escala, del volumen esférico ocupado por toda el agua existente en la tierra (esfera pequeña transparente de la izquierda), incluida el agua de los mares y en forma de hielo, y de todo el aire de la atmósfera (esfera blanca de la derecha), a la presión de una atmósfera, en comparación con el volumen de la Tierra (Andrew Nowicki).

La atmósfera que rodea el globo terrestre constituye una limitada cantidad de aire, unos 5,1·1018 kg, véase Figura 20.1. Este aire, como indica la Tabla 20.1, no se compone únicamente de oxígeno

y nitrógeno, nunca ha sido puro, ya que su composición varía de forma natural. Compuestos como el vapor de agua y el dióxido de carbono intervienen en los ciclos biológicos; partículas tales como los pólenes, las que provienen de las tormentas de arena, de los incendios naturales de los bosques o de las erupciones volcánicas, también son transportadas por la atmósfera, con concentraciones variables tanto en el espacio como en el tiempo. A lo largo de la evolución hasta la era industrial, la vida de los vegetales, de los animales y del hombre se ha acomodado a estas variaciones. La generación de grandes cantidades de gases por combustión y el desarrollo de los procesos industriales ha perturbado esta composición, no solo en el ámbito local, sino a escala mundial. Es por ello que se hace necesario mantener los contaminantes emitidos por debajo de unos determinados límites. Para evaluar el impacto que puede tener sobre el entorno una instalación que pueda emitir gases y partículas, tanto a la atmósfera libre como al aire del interior de tal instalación, será necesario primero identificar y cuantificar esos contaminantes. Ello, además es indispensable para poder elegir el equipo que permitirá captarlos, como mínimo hasta el límite fijado por la legislación vigente, de una forma fiable y económicamente aceptable.

Tabla 20.1. Composición del aire seco puro (sin incluir partículas) a nivel del mar. PPM (VOL.)1

COMPUESTO Nitrógeno, N2

780.840

% (VOL.)

8

78,09

8

8,95 10

Oxígeno, O2

209.460

2,74 10

20,95

Agua, H2O

---

---

---

Argón, Ar

9.340

Dióxido de carbono, CO2

7

0,93

5

0,03

1,52 10

315

5,67 10

4

Neón, Ne

18

1,49 10

0,002

Helio, He

5,2

8,50 102

0,0005

1,0-1,2

7,20 102

0,0001

Metano, CH4

2

Criptón, Kr

1,0

3,43 10

0,0001

Óxido nitroso, N2O

0,5

9,00 102

0,00005

Hidrógeno, H2

0,5

4,10 10

0,00005

2

0,00001

Xenón, Xe 1

w=&{|3

0,08 3

4,29 10 3

Partes por millón en volumen, por ejemplo, cm de compuesto por m de aire.

273


De forma general, los contaminantes susceptibles de ser emitidos a la atmósfera se pueden clasificar en: • •

materia particulada, y materia gaseosa (por lo general compuestos químicos).

Reciben el nombre de materia particulada o, en general, partículas, cualquier sustancia, a excepción del agua pura, presente en la atmósfera en estado sólido o líquido en condiciones normales y cuyo tamaño es microscópico o submicroscópico, pero siempre superior a las dimensiones moleculares. El tamaño es una de las principales características que definen una partícula. Ya que generalmente las partículas no son esféricas para medir su tamaño, se emplea un diámetro equivalente, el cual puede ser: •

•

•

•

•

•

Diámetro de Stokes: es el diámetro de una esfera de la misma densidad que la de la partícula y que tiene la misma velocidad terminal de sedimentación. Diámetro aerodinámico: es el diámetro de una esfera con densidad unitaria (densidad del agua) que se sedimenta en aire quieto a la misma velocidad que la partícula en cuestión. Diámetro de superficie: es el diámetro de una esfera que tiene la misma área superficial externa que la partícula. Diámetro de volumen: es el diámetro de una esfera que tiene el mismo volumen que la partícula. Diámetro de área: es el diámetro de un círculo que tiene la misma área que el proyectado por la partícula. Diámetro de arrastre: es el diámetro de una esfera que presenta la misma resistencia al movimiento que la partícula, en un fluido con la misma viscosidad y a la misma velocidad.

A efectos prácticos, suele utilizarse como diámetro de partícula (dp) el llamado diámetro aerodinámico. Según su tamaño se puede hacer una primera clasificación, dependiendo de su facilidad en permanecer en el aire (partículas en suspensión) o su tendencia a depositarse en la superficie (partículas sedimentables):

• •

Partículas sedimentables: diámetro (dp) superior a 100 Pm. Partículas en suspensión: diámetro (dp) inferior a 100 Pm.

Pero hay otras clasificaciones del material particulado, que a veces producen una terminología ambigua. Por ejemplo, se utilizan estas dos clasificaciones: — Terminología industrial: • • • • • •

Polvo grueso: Polvo fino: Spray: Nieblas: Vapores: Humos:

dp > 100 Pm dp = 1-100 Pm dp > 10 Pm dp = 0,1-10 Pm dp = 0,001-1 Pm dp = 0,001-1 Pm

Sólido Sólido Líquido Líquido Líquido Sólido

— Terminología meteorológica: • • • •

Lluvia: dp = 200-500 Pm Niebla: dp = 80–200 Pm Nubes y bruma:dp =2 -80 Pm Smog: dp = 0,1-2 Pm

Líquido Líquido Líquido Líquido

Así, el término “niebla” en la industria se refiere a un spray muy fino, mientras que en meteorología significa una lluvia muy fina pero más gruesa que el smog. Esta última tiene mucho que ver con la contaminación provocada por el tráfico. Suelen recibir el nombre de polvos las partículas sólidas dispersas en un gas, originadas por la desintegración mecánica natural o artificial de algún material. Los humos están constituidos por partículas sólidas y líquidas formadas mediante procesos complejos (condensación de vapores sobresaturados, sublimación o reacciones químicas) subsiguientes a las combustiones y cuyo dominio de tamaños es vecino al del polvo fino. Reciben el nombre de nieblas o brumas, las partículas constituidas por gotículas en suspensión formadas por condensación de vapor sobre ciertas partículas higroscópicas, llamadas núcleos de condensación, o más raramente por pulverización del agua en la atmósfera. En general, las partículas en suspensión también reciben el nombre de aerosoles, que es un término vago que incluye cualquier nube de partículas sólidas o líquidas, microscópicas o submi-

274


croscópicas de diversa naturaleza (humos, bruma, niebla, etc.). Las partículas pueden tener diversos efectos dañinos: pueden deteriorar y/o ensuciar los materiales en los que se depositan, y pueden ser tóxicas según su naturaleza y su tamaño. Las partículas más finas, con un tamaño (diámetro de partícula, dp) inferior a 2-3 Pm (micrómetros o micras), son las más peligrosas para la salud humana, pues tras ser inhaladas pueden llegar a las partes más profundas de los pulmones y de allí al torrente sanguíneo. En el transporte, esta contaminación es muy frecuente en los motores diesel. Desde el punto de vista físico, se pueden distinguir básicamente dos tipos de partículas: •

•

Las partículas de origen mecánico (polvos), que se obtienen por desintegración de la materia sólida (molienda, trituración, transporte de minerales, etc.). Suelen tener un tamaño superior a 5 Pm, son fáciles de observar con un microscopio óptico y son relativamente fáciles de captar. Las partículas de origen químico o térmico (humos), que se obtienen por condensación de un vapor al estado líquido y después sólido. Se generan a temperatura ambiente mediante reacciones gas-gas (por ejemplo, HCl y NH3) o por condensación del vapor que se forma en la producción de materiales a elevadas temperaturas. Estas partículas se denominan “submicrónicas” porque tienen un tamaño inferior a 1 Pm en el momento de su formación; solo pueden observarse mediante un microscopio electrónico.

Una vez aglomeradas, las partículas de origen químico o térmico pueden alcanzar tamaños comparables a los de las partículas de origen mecánico. A menudo, es posible encontrar los dos tipos de

partículas simultáneamente. Las partículas líquidas también tienen tamaños muy diferentes dependiendo de si proceden de un origen mecánico (pulverización) o térmico (condensación de nieblas). En la Tabla 20.2 se muestran los potenciales de calentamiento global (publicados por el IPCC en su Segundo Informe de Evaluación de 1995) de los principales gases de efecto invernadero, considerando un periodo de tiempo equivalente a 100 años. Tabla 20.2. Valores de GWP de los principales gases de efecto invernadero, considerando un periodo de tiempo de 100 años (Fuente: IPCC). Contaminante

GWP*

CO2

1

CH4

24,5

N2O

320

CFC-11

4.000

CFC-12

8.500

CFC-13

11.700

CFC-113

5.000

CFC-114

9.300

CFC-115

9.300

HCFC-22

1.700

HCFC-123

93

HCFC-124

480

HCFC-141b

630

HCFC-142b

2.000

HCFC-225ca

170

HCFC-225cb

530

CCl4 CH3CCl3 Halon-1301

1.400 110 5.600

*GWP (Global Warning Potential): índice de la capacidad de una sustancia para contribuir al calentamiento global, tomando como referencia unitaria el CO2.

Figura 20.2. Contribución de los principales gases de efecto invernadero al cambio climático (Fuente: IPCC).


La presencia de estos gases de efecto invernadero hace que la temperatura media de la Tierra sea de unos 15 ºC, mientras que sin su existencia sería de unos -18 ºC. No obstante su aumento incontrolado, como está pasando en el siglo XX y XXI, va a provocar un calentamiento de efectos imprevisibles. La Figura 20.2 muestra la contribución del CO2, CH4, N2O y CFC (clorofluorocarbonos) al efecto invernadero. A veces, la presencia de dichos gases causantes del efecto invernadero provoca fenómenos contrarios. Por ejemplo, en el caso del CO2 su incremento en la atmósfera genera, como se ha explicado anteriormente, un aumento de la temperatura de la Tierra. Ello favorece la capacidad de evaporación de lagos, mares y océanos, con lo que aumenta la concentración de vapor de agua, es decir, la presencia de nubes que reflejan parte de la radiación solar. Por otra parte, si aumenta el CO2, las plantas, a través de la fotosíntesis, lo absorben y crecen más, lo que disminuye su concentración en la atmósfera. Las actividades naturales generan una gran cantidad de CO2, y se calcula que tan solo el 5% es de origen antropogénico. Sin embargo, no es aconsejable menospreciar dicha cantidad, ya que, por desgracia, va en aumento cada día contribuyendo de manera decisiva al efecto invernadero. Existen diversas actividades humanas que contribuyen al calentamiento global al emitir grandes cantidades de CO2. Entre ellas cabe destacar el uso de energía eléctrica y térmica, y el transporte. En la Figura 20.3 se muestra la contribución porcentual de dichas actividades a la generación de CO2, donde se ve que el transporte tiene un papel destacado. En el caso del CO2 la generación media de cada persona es de unos 4 kg diarios. En los países más ricos, se superan los 12 kg por persona y día, mien-

275

tras que en los países en vías de desarrollo es apenas de 1 kg diario por persona. Los contaminantes gaseosos más habituales en los efluentes gaseosos emitidos por las industrias son (excluyendo el dióxido de carbono): •

•

•

•

•

Los compuestos inorgánicos de azufre (SO2 y H2S), que se oxidan a SO3, H2SO4 y MSO4 (donde M es un metal). Los óxidos de azufre (SOx) se emiten en la combustión de los combustibles que contienen azufre (fuelóleo pesado y carbones como los lignitos), principalmente en forma de SO2. El anhídrido sulfúrico (SO3) hace aumentar el punto de rocío de los gases y tiene un importante efecto corrosivo a altas temperaturas (entre 100 y 160 ºC, según su concentración y la del vapor de agua). Los compuestos inorgánicos de nitrógeno (NO y NH3), que se oxidan a NO2 y MNO3 (M, metal). Los óxidos de nitrógeno (NOx) aparecen en los gases de combustión por oxidación del nitrógeno del aire comburente o de los compuestos nitrogenados del combustible. El monóxido de carbono (CO), que es un gas tóxico, producido por la combustión incompleta del carbono del combustible. A pesar de operar con exceso de aire, en los humos de los sistemas de combustión siempre aparece una pequeña fracción de CO originado por disociación a alta temperatura y que no tiene tiempo de oxidarse en el transcurso de la expansión o escape. Los halógenos y haluros (Cl2, F2, HCl y HF), normalmente emitidos en su forma ácida: HCl y HF. Los compuestos orgánicos volátiles (COV), que incluyen normalmente todos los compuestos orgánicos con hasta 5 átomos de carbono, que suelen oxidarse a cetonas, aldehídos y ácidos.

Figura 20.3. Contribución de las actividades antropogénicas a la generación de CO2.

276 •


Clorofluorocarbonos (CFC). Son sustancias de origen antropogénico formadas por cloro, flúor y carbono. Entre sus características cabe destacar su elevada estabilidad química, lo que le confiere una vida media atmosférica considerable. Su principal inconveniente, además de permanecer en las capas altas atmosféricas contribuyendo a aumentar el efecto invernadero, es su ca-

•

pacidad para destruir las moléculas de O3 estratosférico, dañando la capa de ozono. Los CFC más importantes son el CFC-11 (triclorofluorometano) y el CFC-12 (diclorofluorometano). Perfluorocarbonos (PFC). Se generan, básicamente, en la industria de fabricación de aluminio. Su principal inconveniente radica en su elevada permanencia atmosférica.

Dióxido de carbono (CO2).

Los agentes contaminantes procedentes de la combustión de carburantes convencionales pueden afectar el aire, agua, tierra y la vida animal y vegetal. Cuando tiene lugar la combustión, el hidrógeno y el carbono del combustible se combinan con el oxígeno del aire para producir calor, luz, dióxido de carbono y vapor de agua. Las impurezas del combustible, así como una incorrecta relación de la mezcla entre el aire y el combustible, o las temperaturas de combustión demasiado elevadas o bajas son la causa de la formación de productos secundarios, tales como el monóxido de carbono (CO), óxidos de azufre (SOx), óxidos de nitrógeno (NOx), partículas, hidrocarburos no quemados (HxCy), plomo y otros. En resumen, las emisiones más importantes producidas por los motores de los automóviles son:

Después del vapor de agua es el compuesto que más contribuye al efecto invernadero. Entre sus orígenes cabe destacar la combustión de combustibles fósiles, los incendios forestales y la erupción de volcanes. Su destacada presencia en la atmósfera junto con su elevada vida media, unos 100 años, hace que el dióxido de carbono sea considerado como uno de los principales gases de efecto invernadero. Cada combustible fósil o carburante genera una cantidad diferente de CO2 por unidad de energía liberada. Por ejemplo, el carbón está constituido mayoritariamente por carbono, por lo que el subproducto de la combustión será prácticamente CO2. Por otra parte, la combustión de gas natural (constituido básicamente de CH4) producirá vapor de agua y CO2, por lo que su emisión de dióxido de carbono por unidad de energía será menor. En la Tabla 20.3 se muestra el equivalente de CO2 de las diferentes fuentes de carburantes usados en automoción. Las emisiones antropogénicas de CO2 son variables según el país de que se trate. Por ejemplo, en EE UU se deben fundamentalmente al transporte; en los países de la OPEP es debido a las centrales eléctricas de petróleo; en China procede de

Vapor de agua

No se incluye en el inventario de sustancias causantes del efecto invernadero, ya que su concentración depende del clima. A pesar de ello contribuye de forma significativa al cambio climático, puesto que es el principal gas de efecto invernadero. El vapor de agua actúa calentando las capas bajas de la atmósfera, aumentando la evaporación e incrementando la temperatura. Tabla 20.3. Equivalentes de CO2 para diversos carburantes. +:; :

%C

%H

kWh/kg

kg CO2/kWh

Gasolina

C7,05 H15,4

84,6%

15,4%

14,00

0,22

Gasóleo

C17,09 H35,2

85,9%

14,1%

13,60

0,23

Queroseno

86,3%

13,6%

13,45

0,24

Gas natural

75,7%

24,3%

13,77

0,14


las industrias y centrales térmicas; en Europa de la industria y transporte, mientras que en los países en vías de desarrollo la causa es la combustión de leña para obtener calor. En la Tabla 20.4 se muestran las emisiones de CO2 asociadas a algunas de las actividades más comunes del hombre. Tabla 20.4. Equivalentes de CO2 de diferentes formas de transporte. Actividad

?: }2

Transporte en coche

0,3 kg/km

Transporte en avión

0,25 kg/km

Transporte en autobús

0,06 kg/km/viajero

Transporte en tren

0,003 kg/km/viajero

Metano (CH4)

Es uno de los gases de efecto invernadero más importantes. Las fuentes principales son las emisiones fugitivas en el transporte de gas natural desde la zona de extracción hasta las plantas de combustión, los incendios, las emisiones de biogás

277

de vertederos, la ganadería, las minas de carbón, etc. La reducción de CH4 en la atmósfera se considera factible, por ser un compuesto que puede aprovecharse como fuente energética alternativa. Tiene más eficacia que el CO2 en el proceso de absorción de la radiación terrestre (más de veinte veces), aunque su contribución al efecto invernadero es menor, ya que su concentración atmosférica es más pequeña. Se calcula que su presencia en la atmósfera es de unos once años. Su evolución desde 1775 se muestra en la Figura 20.4, aumentando su cuantía en casi el doble en los últimos 60 años. Dióxido de nitrógeno (N2O)

Este compuesto nitrogenado es fuente de óxidos de nitrógeno (NOx), sustancias generadoras de otros impactos ambientales, como la acidificación y la eutrofización. El N2O se origina a partir de la combustión de combustibles fósiles y el empleo de fertilizantes nitrogenados. Se calcula que su vida media en la atmósfera es de unos 130 años. La Figura 20.5 indica la evolución y se

Figura 20.4. Evolución de la concentración atmosférica de CH4 (en ppbv) desde 1775 (Fuente: IPCC).

Figura 20.5. Evolución de la concentración atmosférica de N2O (en ppbv) desde 1775 (Fuente: IPCC).

278


aprecia un fuerte incremento coincidiendo con el auge del transporte. Ozono (O3)

El ozono se considera un contaminante secundario formado a partir de las reacciones entre COV (compuestos orgánicos volátiles) y NOx en presencia de radiación solar. El ozono estratosférico resulta beneficioso, ya que protege de la radiación ultravioleta que puede causar daño a los seres vivos; en cambio, el ozono troposférico es perjudicial, ya que absorbe la radiación infrarroja procedente de la Tierra, incrementando el efecto invernadero. Irrita las mucosas del sistema respiratorio y puede empeorar las enfermedades crónicas del corazón y de los pulmones. Los expertos ven una correlación directa entre el tráfico y el aumento de ozono. Hidrocarburos no quemados

Son una gran cantidad de compuestos diferentes, entre los cuales hay benceno, que es un agente cancerígeno causante de tumores. Se producen por una combustión incompleta, evaporación y problemas de encendido de los vehículos. Plomo

Afecta a la producción de hemoglobina disminuyéndola y provocando casos de anemia. Puede dañar los riñones como consecuencia de la exposición a elevados niveles de plomo. Causa daños neurológicos, además de afectar a los sistemas circulatorio, reproductivo, urinario y nervioso, al desarrollo intelectual y comportamiento de los niños.

INCIDENCIA DEL TRANSPORTE MARÍTIMO EN LA CONTAMINACIÓN Al margen del consumo específico de los sistemas de transporte fluvial y marítimo, ambos muy favorables de cara al ratio unidades de CO2 por kilómetro y tonelada, vale la pena hacer mención a otros impactos ambientales asociados a esta modalidad de transporte: • •

Vertidos de sentinas. Explotaciones petrolíferas y mareas negras.

Vaciado de tanques y sentinas

Actualmente cerca del 80% del transporte mundial de mercancías se realiza en parte o en su totalidad por medio de buques, siendo el mayor porcentaje (2/3) correspondientes a mercancías a granel; y de este total más del 50% se corresponde al comercio mundial de combustibles, petróleo y carbón. Durante el desarrollo del transporte naviero siempre se ha lastrado los buques con cargas secundarias, materiales inertes como arena, rocas, hierro, etc., con el objeto de conseguir el calado adecuado en función de las condiciones de carga y navegación. Por esta razón, en los buques modernos el agua de lastre es absolutamente esencial para la seguridad y la eficiencia de operación de la mayor parte de los barcos, convirtiéndose esta agua en el principal vector de introducción de especies no deseadas en nuevos ambientes, llegando a provocar en algunos casos la desaparición de especies nativas con la consiguiente problemática ecológica y medioambiental. Se estima que, aproximadamente, 12 mil millones de toneladas de aguas de lastre se transfieren anualmente, con unas 7.000 especies biológicas transitando en estas aguas diariamente. Generalmente las operaciones de lastrado y deslastrado se realizan simultáneamente con las operaciones de carga y descarga, con el doble objetivo de mantener la cubierta del buque y sus medios de carga dentro de los márgenes operativos, a la vez de controlar los esfuerzos cortantes y momentos flectores del casco por debajo de los límites máximos admisibles. El agua de lastre se introduce por gravedad, desde la toma habitualmente situada en el fondo, hasta el nivel de agua exterior y luego por bombeo hasta las zonas precisas. Las cantidades de agua de lastre embarcadas pueden variar desde unos cientos de toneladas para buques pequeños, hasta más de cien mil toneladas en los buques de gran porte. Este transporte horizontal de agua es una forma de contaminación de aguas, a la vez que se constituye en un importante problema de vectorización y biomezcla al arrastrar formas de vida vegetal y animal, superior, protozoaria, bacteriana y vírica en distintos estadios de su ciclo vital. Vertidos de petróleo (mareas negras)

Contaminación por crudos, contaminación de cualquier hábitat por cualquier hidrocarburo líqui-


do. Se trata de una de las formas más graves de contaminación del agua, y el término se emplea sobre todo en relación con el vertido de petróleo al medio ambiente marino; en este caso, la masa que se produce tras el vertido y que flota en el mar se conoce con el nombre de marea negra. Las descargas accidentales y a gran escala de petróleo líquido son una importante causa de contaminación de las costas. Los casos más espectaculares de contaminación por crudos suelen estar a cargo de los superpetroleros empleados para transportarlos, pero hay otros muchos barcos que vierten también petróleo, y la explotación de las plataformas petrolíferas marinas supone además una importante aportación de vertidos. Se estima que por cada millón de toneladas de crudo embarcado se vierte una tonelada. Entre las mayores mareas negras registradas hasta el momento se encuentran la producida por el petrolero “Amoco Cádiz” frente a las costas francesas en 1978 (1,6 millones de barriles de crudo) y la producida por el pozo petrolífero “Ixtoc I” en el golfo de México en 1979 (3,3 millones de barriles). El vertido de 240.000 barriles por el petrolero “Exxon Valdez” en el Prince William Sound, en el golfo de Alaska, en marzo de 1989, produjo, en el plazo de una semana, una marea negra de 6.700 km2, que puso en peligro la vida silvestre y las pesquerías de toda el área. Por el contrario, los 680.000 barriles vertidos por el “Braer” frente a la costa de las islas Shetland en enero de 1993 se dispersaron en pocos días por acción de las olas propias de unas tormentas excepcionalmente fuertes. Los vertidos de petróleo acaecidos en el golfo Pérsico en 1983, durante el conflicto Irán-Irak, y en 1991, durante la Guerra del Golfo, en los que se liberaron hasta ocho millones de barriles de crudo, produjeron enormes daños en toda la zona, sobre todo por lo que se refiere a la vida marina. El petróleo vertido en el medio ambiente marino se degrada por procesos físicos, químicos y biológicos. Al principio, un vertido de petróleo se extiende con rapidez sobre la superficie del mar, y se divide en una serie de “hileras” paralelas a la dirección del viento dominante. La evaporación se produce rápidamente: los compuestos volátiles se evaporan en unas 24 horas. Las manchas de petróleo ligero pueden perder hasta un 50% en cuestión

279

de horas. Las fracciones remanentes del petróleo, más pesadas, se dispersan en el agua en forma de pequeñas gotas, que terminan siendo descompuestas por bacterias y otros microorganismos. En algunos casos se forma una emulsión de agua en petróleo, dando lugar a la llamada mousse de chocolate en la superficie. En el mar, la contaminación por crudo es sobre todo dañina para los animales de superficie, en especial para las aves marinas, pero también para los mamíferos y reptiles acuáticos. El petróleo daña el plumaje de las aves marinas, que también pueden ingerirlo al intentar limpiarse. En la costa hay ciertos hábitats especialmente vulnerables y sensibles a este tipo de contaminación. Estos incluyen los corales, las marismas y los manglares. La contaminación por crudo también puede ser muy dañina para piscifactorías costeras (en particular para las jaulas de salmones y las bandejas de ostras) y para los espacios recreativos, como las playas y los centros de deporte acuáticos. En el pasado, las manchas de petróleo se fumigaban con dispersantes. No obstante, la experiencia demuestra que los propios dispersantes, o las emulsiones que forman, pueden ser más tóxicos que el propio petróleo. La filosofía actual es contener el petróleo con barreras flotantes y recuperarlo empleando diversos tipos de mecanismos. Solo si el peligro de que alcance la playa es inminente se recurre a los dispersantes. De modo similar, es mejor dejar que el petróleo que alcanza la costa se degrade de modo natural, a menos que se trate de una playa pública. Incluso en este caso, la eliminación física es preferible al uso de dispersantes, que pueden hacer que el petróleo penetre aún más en la arena. Los dispersantes se reservan para limpiar instalaciones esenciales, como las rampas de botadura de los astilleros. La contaminación por crudo debida a la prospección y la explotación petrolíferas en tierra firme también puede ser muy dañina para el medio ambiente. En la mayor parte de los casos la contaminación por crudo se debe a defectos de diseño, mantenimiento y gestión. Por ejemplo, en la Amazonia ecuatoriana se ha producido una contaminación generalizada de los suelos y los cauces de agua por culpa de los reventones, o eliminación descuidada del petróleo residual y las disfuncio-

280


nes de los separadores petróleo-agua. En la antigua Unión Soviética se ha producido contaminación a gran escala por la corrosión y el abandono a la que se ven sometidos los oleoductos. Se estima que en octubre de 1994, se vertieron entre 60.000 y 80.000 toneladas de petróleo por la rotura de un oleoducto cerca de Usinsk, al sur del Círculo Polar Ártico. En latitudes tan extremas los ecosistemas de la tundra y la taiga son altamente sensibles a la contaminación por crudo, y los procesos naturales de degradación, físicos y biológicos, son muy len-

tos. También se producen daños en los trópicos: en la región del delta del Níger, en Nigeria, los oleoductos, dispuestos en la superficie de tierras agrícolas, mal construidos y con pobre mantenimiento, sufren fugas regulares; los intentos de quemar los residuos a menudo dejan una corteza de tierra sin vida de hasta 2 m de profundidad, lo que hace que esta quede inutilizable durante un tiempo imprevisible. Los efectos de este tipo de contaminación por crudo seguirán siendo patentes, por lo tanto, durante décadas.

Los nuevos carburantes En la UE la emisión de sustancias acidificantes, partículas en suspensión y precursores de ozono han descendido entre un 30 y un 40% desde 1990 a 2003 (excluyendo el transporte marítimo y aéreo). El programa CAFE (acrónimo de Aire Puro para Europa), ha estimado que más de 370.000 personas mueren anualmente de forma prematura en la UE debido al actual nivel de contaminantes en la atmósfera. La actual legislación europea define los límites para contaminantes atmosféricos, para proteger la salud, en: •

•

PM10 (material particulado inferior a 10 Pm) valor medio anual inferior a 40 Pg/m3 y un valor medio en 24 horas de 50 Pg/m3, que no deberá pasarse en más de 35 días al año. La realidad es que numerosas ciudades europeas sobrepasan este límite. En 2010 entrará en vigor un valor límite de NO2, precursor de ozono, de 40 Pg/m3.

La progresiva reducción de los contenidos de azufre en los carburantes se espera que contribuya decididamente a la disminución de los niveles de contaminación, en primer lugar, por la propia disminución de la emisión de compuestos de azufre y, en segundo lugar, porque la reducción permitirá la introducción de sistemas de postratamiento de gases más sofisticados que, además, mejorarán la longevidad de los motores. La directiva sobre biocombustibles (CE, 2003b) va a dar un nuevo impulso en esta dirección de reducción de toda clase de contaminantes. Según

la citada directiva, en 2010 el 5,75% de todos los carburantes para el transporte por carretera debe ser procedente de biocombustibles. La Tabla 20.5 muestra, en valores de 2003, el contenido de azufre en los carburantes de automoción de diversos países de la UE. Como se desprende de la tabla, queda todavía un gran trecho por recorrer en el sentido de reducir el azufre de los carburantes y homogeneizar la calidad en todos los países. Los óxidos de azufre son gases incoloros que se forman al quemar azufre. El dióxido de azufre (SO2) es el contaminante criterio que indica la concentración de óxidos de azufre en el aire. Se ha denominado al dióxido de azufre como un contaminante que “pasa a través de” porque la cantidad de dióxido de azufre emitido al aire es casi la misma cantidad presente en el combustible. El dióxido de azufre (SO2) es un gas no inflamable y de olor sofocante. Condensa (líquido incoloro) a -10 °C y solidifica a -72 °C. Es soluble en agua (85% a 25 °C) y en los disolventes orgánicos. Durante su proceso de oxidación en la atmósfera, este gas forma sulfatos, es decir, sales que pueden ser transportadas en el material particulado respirable (PM10) y que en presencia de humedad forman ácidos. Luego, estos ácidos son una parte importante del material particulado secundario o fino (PM2,5). El SO2 es higroscópico, es decir, cuando está en la atmósfera reacciona con la humedad y forma aerosoles de ácido sulfúrico y sulfuroso que luego

281

Modelo actual. Sostenibilidad ambiental del transporte Tabla 20.5. Contenido en azufre de los carburantes en algunos países de la UE. PAÍS Francia Alemania Italia Países Bajos Portugal España Reino Unido Dinamarca UE-15

Carburante

< azufre 10 ppm (límite para 2009)

< azufre 50 ppm (límite para 2005)

Gasolina

Normal 100%

Gasóleo

100%

Gasolina

100%

Gasóleo

100%

Gasolina

100%

Gasóleo

100%

Gasolina

100%

Gasóleo

100%

Gasolina

100%

Gasóleo

100%

Gasolina

100%

Gasóleo

100%

Gasolina

100%

Gasóleo

100%

Gasolina

25%

Gasóleo

75% 100%

Gasolina

40%

60%

Gasóleo

20%

30%

dan lugar a la llamada lluvia ácida. La intensidad de formación de aerosoles y el periodo de permanencia de ellos en la atmósfera depende de las condiciones meteorológicas reinantes y de la cantidad de impurezas catalíticas (sustancias que aceleran los procesos) presentes en el aire. Pero en general, el tiempo medio de permanencia en la atmósfera asciende a unos 3-5 días, de modo que puede ser transportado a grandes distancias.

LAS GASOLINAS OXIGENADAS El uso de aditivos oxigenados en la gasolina, como los alcoholes, comenzó en los años veinte cuando se descubrió su cualidad de elevar el octano de los carburantes entonces disponibles. Fue en los años setenta cuando se volvió a hablar de los alcoholes, caídos en desuso al disminuir el precio del petróleo. Los éteres también empezaron a usarse en esta época y el empleo de los dos tipos de moléculas se ha incrementado y extendido a muchos países. Desde el punto de vista económico, los compuestos oxigenados han tenido un papel importante para estabilizar los precios del mercado del petróleo. Más recientemente los beneficios de los productos oxigenados, al reducir las emisiones contaminantes

50%

de monóxido de carbono y de hidrocarburos, ha hecho que en muchos países se haga obligatorio añadir un mínimo de ellos a la gasolina. La mayoría de los aditivos oxigenados son alcoholes y/o éteres (con puntos de ebullición en el mismo rango: 50-180 ºC que presentan un poder antidetonante que los hace muy apreciados) y contienen de uno a seis átomos de carbono. De los alcoholes y añadidos en concentraciones superiores a 1 o 2%, los más usados son metanol, etanol, isopropanol, terbutanol y mezclas de alcoholes con uno a cinco carbones. De los éteres, los más empleados son: el éter metil-terbutílico (EMTB), el metil-teramílico (EMTA) y el etil-terbutílico (EETB). El EMTB es tal vez el número uno, pues se mezcla muy bien con los hidrocarburos de la gasolina; la demanda parece crecer sobre todo en los países en los cuales se ha ido sustituyendo paulatinamente el plomo en la gasolina. Su manufactura comercial se inició en Europa, específicamente en Alemania e Italia, alcanzando gran popularidad en los años setenta a raíz del conflicto petrolero. La síntesis del éter se realiza catalíticamente en las refinerías, mezclando el isobuteno con el metanol.

282


Aunque en algunos países se permite adicionar EMTB hasta un 15% en volumen, por lo general, se añade entre 6 y 10%, aunque el valor puede elevarse en los lugares que requieren oxígeno para mejorar la combustión. El EMTB empleado en altas concentraciones puede aumentar el número de octano hasta en tres números. Los compuestos oxigenados se introdujeron en la gasolina para mejorar la combustión, mientras que el etanol y el EMTB se añadían para aumentar el número de octano y no el contenido de oxígeno. Añadir oxigenados a los automóviles sin un buen control de la relación carburante/aire, hace que se muevan hacia la región de mezcla “pobre”, en la cual se produce más monóxido de carbono. La gasolina es corrosiva y por ello, en la refinería, se le adicionan sustancias que evitan la corrosión. El EMTB es ligeramente soluble en agua y puede aumentar la capacidad de la gasolina de atraparla pero el incremento es pequeño. En el caso de los alcoholes la situación es diferente pues son más solubles en agua, pero en general

las concentraciones de anticorrosivos neutralizan este efecto. En lo que concierne a los elastómeros presentes en partes del automóvil no se puede generalizar su compatibilidad con los oxigenados. Hay que recordar que en Brasil más de 5.000.000 de automóviles emplean etanol puro y a la gasolina se añade hasta un 22% de etanol, por lo que la incompatibilidad de los materiales puede deberse a su uso en modelos muy antiguos. En los modelos de automóviles recientes la relación comburente/carburante se regula mediante sensores de oxígeno computarizados instalados a la salida de los gases, que compensan los posibles cambios debidos al contenido de carburante y a la densidad del aire. Datos típicos de la relación aire/ carburante son: • • • • •

Metanol = 6,4. Etanol = 9,0. EMTB = 11,7. EETB, EMTA = 12,1. Gasolina sin oxigenados = 14,6.

! &2 Los carburantes, como indica la Tabla 20.3, tienen una gran cantidad de carbono y, en consecuencia, al quemarse generan una gran cantidad de CO2. La Tabla 20.6 ejemplifica la producción de CO2 para el caso de un turismo de relativo bajo consumo. La Tabla 20.6 muestra que un consumo específico de carburante moderado sobrepasa el límite

de 120 g CO2/km que la UE va a imponer a todos los fabricantes de vehículos a partir de 2012 para evitar una penalización económica (para ello los automóviles deberían consumir del orden de 6,7 l gasolina/100km). De hecho la Comisión Europea va a permitir que el consumo sea de 130 g CO2/km y los 10 g CO2/km que faltan deberán proceder de biocarburantes.

Tabla 20.6. Consumo específico de CO2 por unidad de recorrido. Combustible

Gasolina

Consumo específico vehículo

7,0

l/100 km

Consumo por unidad de recorrido

0,07

l/km

Densidad

0,75

kg/l

Generación de CO2

2,775

kg CO2/kg

146

g CO2/km

Producción específica de CO2 Circulación anual

10.000

km

Producción anual de CO2

1.457

kg CO2/año

Producción total de gases

11.313

kg gases/año

31,0

kg gases/día

Producción diaria

0,0525 kg/km

gasolina

283


La Comisión Europea también propone la aplicación progresiva de sanciones durante cuatro años, 2012-2015, que alcanzarán sucesivamente 20, 30, 60 y 95 € por cada gramo de CO2 que emita cada coche matriculado que supere el límite. Con estas medidas la Comisión espera reducir un 19% las emisiones de CO2 del sector de transporte por carretera, que es el responsable de, aproximadamente, el 12% de las emisiones comunitarias. La Asociación Europea de Constructores de Automóviles (ACEA) desea escalonar las emisiones (y las correspondientes penalizaciones) en función de los consumos específicos de los vehículos. En enero de 2007 entró en vigor una reducción o incremento del impuesto de matriculación, aplicado sobre el precio de venta del vehículo, en función de la emisión de CO2 de acuerdo con el siguiente baremo: • • • •

Hasta 120 g CO2/km: impuesto 0%. Desde 120 hasta 160 g CO2/km: impuesto 4,75%. Desde 160 hasta 200 g CO2/km: impuesto 9,75%. A partir de 200 g CO2/km; impuesto 14,75%.

La Anfac (Asociación Nacional de Fabricantes de Automóviles) manifestó que la nueva tasa espera que favorezca la venta de unos 30 modelos de coches pequeños. Asimismo, la propia Anfac afirma que los coches más contaminantes son los más viejos, por lo que insta al Gobierno a prorrogar el Plan Prever. La medida está impulsada por

el Ministerio de Industria y persigue la reducción de CO2, sin embargo hay que recordar que los más beneficiados de esta nueva legislación van a ser los vehículos diesel que, si bien producen menos CO2, emiten más material particulado, emisiones que son más dañinas. Berlín ha sido la primera ciudad europea que, para circular en según qué parte de la misma, será preciso disponer de una “placa ambiental” que garantiza la presencia de filtros y catalizadores que permiten una eliminación casi total de material particulado. La Tabla 20.7, extraída de fuentes diversas, indica la emisión de CO2 correspondiente a diversos sistemas de transporte y muestra un ejemplo de la cantidad de CO2 que puede llegar a emitir un ciudadano normal cuando usa diversos medios de locomoción. El dato final mostrado en la tabla sobre emisiones totales sumando todos los usos energéticos (transporte, industria, calefacción, etc.), en cifras de 2005, pone de relieve la gran diferencia existente entre la emisión procedente del vehículo privado o el transporte público.

VELOCIDAD Y CONSUMO Los valores típicos de rendimiento global de los vehículos de gasolina y los diesel apuntan, aproximadamente, a un 23% para el motor de ciclo Otto y de 28% para el motor de ciclo Diesel. Sin embargo, estos datos corresponden al mejor rendimiento (obtenidos con una velocidad estabilizada de 90 km/h, norma CEE). Por debajo de 50 km/h

Tabla 20.7. Incidencia del transporte sobre la emisión total de CO2 al año de un ciudadano. CONSUMOS MEDIOS ESPECÍFICOS Viaje en coche

160

g CO2/km

Viaje en avión

170

g CO2/km

Tren de cercanías, metro Distancia recorrida al año (en coche) Emisión debida al coche Distancia recorrida al año (en avión) Emisión debida al avión Distancia recorrida al año (en tren, metro) Emisión debida al tren, metro

6

g CO2/km

5.000

km

800

kg CO2/año

2.100

km

357

kg CO2/año

1.500

km

9

kg CO2/año

Estimación emisión en transporte

1.166

kg CO2/año

TOTAL emisiones usos energéticos

7.500

kg CO2/año

% transporte sobre el total

16%

284


el consumo de carburante y las emisiones de gases contaminantes aumentan mientras la velocidad disminuye.

Figura 20.6. Consumo en un Citroën Ax de 1.124 cm3.

De hecho, en ciclo urbano, el rendimiento de un vehículo de motor térmico es claramente inferior a los valores anunciados en la Figura 20.6. Un informe de la OCDE de 1993 basado en mediciones efectuadas en los 50 vehículos más vendidos en Europa, establece el margen de los valores para rendimientos en ciclo urbano: • •

Del 9% al 11% para los vehículos equipados con motores de ciclo Otto. Del 13% al 15% para los vehículos equipados con motores de ciclo Diesel.

REGLAS PARA REDUCIR EL CONSUMO Circular tranquilo reduce el consumo, pero hay algunas pautas que conviene recordar para el mejor funcionamiento de un vehículo. El motor en frío consume mucho más que cuando alcanza su temperatura óptima de funcionamiento. En los primeros tres kilómetros tras poner el coche en marcha el consumo puede ser hasta un 100% superior al que tiene cuando está a temperatura de régimen. Lo más aconsejable es iniciar la marcha nada más arrancar el motor. Eso sí, al principio habría que circular de un modo suave durante los primeros kilómetros para reducir consumos y evitar, de paso, graves averías. Al apagar el motor no se debe hacer lo que tantas veces se ha dicho, de pegar uno o dos acelerones en vacío. Dicha actuación no puede ser más desafortunada, ya que se introduce un exceso de combustible (mayor consumo) que no se quema y

al parar el motor se escurre por las paredes de los cilindros degradando el aceite lubricante. Otro aspecto importante a tener en cuenta es el del consumo en carretera. La mejor manera de reducir el consumo es evitar brusquedades, y más concretamente una serie de acelerones y frenazos. Lo mejor, y también lo más difícil, es saber ajustar en cada momento la velocidad a las circunstancias. Lo ideal es mantener un funcionamiento regular del motor, a un régimen de giro cercano al que proporciona el par máximo. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será también el consumo. La resistencia aerodinámica es la culpable de este aumento, hasta el punto de que a partir de 100 kilómetros por hora más de la mitad de la potencia del motor se emplea en vencer la resistencia del aire. Por ello, los consumos se mantienen en cifras razonables hasta 120 o 140 kilómetros por hora para un coche medio, pero por encima de esta cifra se disparan. Un motor con una mala puesta a punto puede estar gastando un 10% más de carburante en las mismas circunstancias. La presión de inflado de un neumático es también un factor a tener en cuenta. Una falta de presión de 0,3 bares puede suponer hasta un 5% de aumento del consumo. Hay un sinfín de aspectos que inciden en el consumo. Por ejemplo, el empleo de un aceite demasiado denso, que no sea el adecuado para el tipo de motor, puede aumentar hasta en un 3% el consumo. Otro aspecto a controlar es el aire acondicionado. Es un elemento que se ha generalizado y que casi resulta imprescindible en un coche moderno. Sobre todo en España, donde durante varios meses se ven los termómetros marcando 40 ºC. Permite una mayor calidad de vida, pero también hay que hacer un uso razonable del mismo, no solo por el aumento de consumo que conlleva, sino, sobre todo, por la salud. Es razonable llevar una temperatura de 20 ó 22 ºC, pero no menos. Con ello, se puede apagar a ratos el aire acondicionado y se reducirá el consumo, especialmente si el coche tiene un sistema de climatizador automático. El aire acondicionado ofrece además un beneficio adicional: al llevar las ventanillas cerradas mejora la aerodinámica, se reduce la resistencia al aire y con ello mejora notablemente el consumo.


285

Automóviles y residuos Un vehículo presenta unos impactos ambientales que arrancan en su fase de fabricación, aspecto bien desconocido por el gran público. Además para su fabricación exige una media de energía de 1.000 kWh por unidad, mientras que el rendimiento químico/mecánico del automóvil en servicio, escasamente alcanza el 25% en autopista (en ciudad difícilmente sobrepasa el 10%, de ahí el que se hayan desarrollado los “vehículos híbridos”), es decir, por cada 100 unidades de energéticas introducidas en forma de energía química, solo aprovecha un 25% para su desplazamiento. Más conocidos son los residuos que produce en su fase de servicio, ya que son familiares los neumáticos, la batería, el aceite, los filtros, etc., puesto que ello se manifiesta en los talleres de reparación. Desde el punto de vista ambiental, el taller no deja de ser un gestor de residuos, actividad que potencialmente entraña cierta peligrosidad. A este aspecto se refiere la Ley 3/1998 sobre Intervención Integral de la Administración Ambiental (IPPC). Finalmente, cuando el vehículo de desecha, aparece otra problemática. Los residuos procedentes de los automóviles usados (VFU), constituyen una verdadera preocupación para las autoridades medioambientales por diversos motivos: •

•

•

Es un residuo muy abundante (en España hay una media de casi 700 vehículos por cada 1.000 habitantes) con un potencial contaminante muy alto y un fuerte impacto medioambiental. Es un residuo complejo ya que se compone, a su vez, de un conjunto de residuos líquidos, gaseosos y sólidos. La logística de recogida es cara y complicada (trámites administrativos y dispersión geográfica).

En la actualidad el tratamiento de los VFU se reduce a dos opciones básicas, que esencialmente son: • •

La fragmentación. El desguace selectivo.

A grandes rasgos, la Directiva 2000/53/CE relativa al desguace de vehículos, entró en vigor el

21 de abril de 2002 y establece los objetivos de: •

•

•

•

Reutilización, reciclaje y valorización de los VFU, responsabilizando a los fabricantes del coste de la retirada de los vehículos. Cumpliendo las normas de garantía que establece la ley, los talleres de reparación pueden encontrar en esta etapa, desguace selectivo, una fuente potencial de negocio (piezas de recambio garantizadas). Antes de 2005 la recuperación de materiales ha de ser del 85% en peso del vehículo. Se está cerca del cumplimiento ya que, en peso, más del 70% del automóvil son metales fáciles de recuperar. No obstante, la problemática sobrevendrá próximamente ya que el porcentaje de metal en los nuevos vehículos es cada vez menor. La directiva pretende controlar los residuos finales que, tras un máximo reciclaje, produce un residuo denominado Automotive Scheder Residue (ASR) que representa un 25% del peso total del vehículo. La deposición de este residuo y el coste de desmantelamiento para el reciclaje de los VFU suponen un elevado precio que los fabricantes intentan disminuir mediante el diseño de nuevos vehículos, facilitando su desmantelamiento (disminución del tiempo medio para cada modelo), utilizando materiales más fáciles de reciclar, etc.

La Figura 20.7 simboliza la generación de residuos del automóvil, que en cifras redondas ronda los 60 kg/persona y año. Con el objetivo de facilitar el reciclado, la mayor parte de los productores de vehículos europeos se plantea desde la fase de diseño cómo desmontar y reutilizar sus automóviles cuando estos lleguen al final de su periodo útil. La Asociación de Constructores Europeos de Vehículos (ACEA) asegura que el reciclaje automovilístico es una prioridad para la UE, los estados miembros y los productores automovilísticos, si bien considera “problemático” alcanzar el porcentaje del 95% establecido para 2015 y cuestiona que

286


este nivel de reciclado mejore el impacto medioambiental general de los vehículos. Los constructores aseguran que el efecto medioambiental de esta medida puede ser adverso si un automóvil se optimiza solo para que se pueda reciclar completamente, ya que puede dar lugar al uso de materiales más pesados que aumenten el peso del vehículo y su consumo de combustible.

Figura 20.7. Generación de residuos en el automóvil.

Cada año, en Estados Unidos y Canadá, alrededor de doce millones de automóviles van al desguace. Las carrocerías se desmenuzan para recuperar diversos metales y el acero se recicla en hornos de arco eléctrico, pero antes de este proceso se retiran

del vehículo componentes reutilizables, fluidos del motor y neumáticos, lo que no se realiza con los interruptores con contenido de mercurio, lo que provoca la liberación al medio ambiente de entre 8,8 y 10,2 toneladas anuales de este elemento, la mayor parte en forma de emisiones atmosféricas de los citados hornos. El mercurio es un metal muy peligroso. Los organismos vivos convierten la forma inorgánica en metilmercurio orgánico, compuesto altamente tóxico que destruye las neuronas. El mercurio se utiliza sobre todo en interruptores de cofres y cajuelas y cada interruptor contiene cerca de un gramo del elemento. De acuerdo con el informe, en 1996 se utilizaron 11,2 toneladas de este metal en autos nuevos. La industria informa que la cantidad de mercurio contenida en interruptores de iluminación eléctrica disminuyó entre el 62 y el 77% entre 1996 y 1999. Sin embargo, está aumentando la cantidad utilizada en otros componentes; por ejemplo, el uso de mercurio en sistemas de frenos antibloqueo creció entre 130 y 180% en esos mismos años. El elemento también se encuentra en luces de alta intensidad, instrumentos de navegación, tableros de instrumentos y en sistemas de entretenimiento internos de los automóviles. Los fabricantes de automóviles de América del Norte se comprometieron a eliminar de manera voluntaria y gradual el uso del mercurio, pese a que varios fabricantes europeos y japoneses dejaron de utilizarlo desde 1993. La Unión Europea adoptó una directiva que prohibirá los interruptores con mercurio en todos los automóviles vendidos en Europa. Dicha directiva también establece objetivos de reciclaje, para cuyo cumplimiento los autos que se vendan a partir de 2005 deberán ser 95%, en peso, reutilizables o recuperables. Los fabricantes que deseen vender automóviles en Europa tendrán que cumplir con dicha directriz.

Automóvil, reciclaje y contaminación La industria en general, y la del automóvil en particular, para aumentar la seguridad ha desarrollado los denominados materiales compuestos (composites), donde el neumático (caucho, acero, negro de humo, textiles, óxido de zinc, etc.) es un

claro exponente. Las prestaciones técnicas de estos materiales son imprescindibles pero, a la hora del reciclaje, son un gran problema. Desde el punto de vista sanitario y ambiental, la generación total de residuos de los VFU no es nada


comparada con la producida en la fase de funcionamiento (fase operativa o de funcionamiento) en forma de gases. En el aspecto cualitativo, los dos tipos de carburantes más usados presentan los siguientes problemas: •

Gasolinas. En la UE se ha prohibido el uso de gasolinas con plomo (aditivo: plomo tetraetilo, 0,1%), después de comprobar la peligrosidad de este metal y la relación existente entre plomo en sangre y tráfico. El plomo es un metal pesado y por tanto bioacumulativo (afecta a la producción de hemoglobina). Por

•

287

otra parte, las gasolinas sin plomo no están exentas de riesgo ya que en su composición hay cantidades notables de compuestos químicos tóxicos (benceno, tolueno, etc.). Diesel. No tiene la problemática antes citada pero su combustión es difícil (hidrocarburos inquemados) y emite mucho material particulado.

Para paliar los efectos nocivos de los gases emitidos es obligada la instalación de catalizadores, en especial para el monóxido de carbono y los óxidos de nitrógeno.

' El tráfico rodado provoca el 80% de la contaminación de las grandes ciudades españolas, según diversos expertos. Dos terceras partes de la contaminación urbana en España podrían estar causadas por un 20% de vehículos altamente contaminantes, que sumarían un total de dos millones de coches. Por cada persona que muere en un accidente de tráfico, otras tres pierden la vida a causa de la contaminación emitida por los coches. Los gases contaminantes emitidos por los automóviles provocan la muerte de 250.000 europeos cada año. El uso irresponsable de los coches produce una epidemia oculta, en definición de la Organización Mundial de la Salud (OMS), que se cobra muchas víctimas cada día. Las víctimas no son el único efecto perverso del tráfico. Respirar humo de un coche no causa la muerte, pero sí desencadena y agrava las enfermedades respiratorias, cardiovasculares y cáncer de pulmón. Las partículas expulsadas por los motores de gasoil obstruyen los pulmones e irritan las mucosas. Las partículas en suspensión, el ozono, los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre, procedentes de los tubos de escape y de la combustión en industrias o calefacciones, son los principales contaminantes. El tráfico, principalmente en las ciudades y zonas interurbanas, ocasiona dos tipos de impacto muy importantes: •

•

La contaminación fisicoquímica, por los contaminantes emitidos en los gases de combustión. El impacto sonoro.

En muchos países, reducir la contaminación que provoca el tráfico es una de las grandes prioridades y, en la mayoría de los casos (aunque no siempre), se reconoce que ello puede pasar por restringir en cierta medida el aumento del volumen total de tráfico, ya sea con medidas de urgencia durante algunos días, cuando la contaminación es demasiado alta, o mediante políticas más completas a largo plazo. La calidad del aire es uno de los motivos de políticas como la implantación de zonas peatonales en el centro de las ciudades, la limitación del tráfico y la reducción de velocidad.

MEDIDAS CORRECTORAS DE LA CONTAMINACIÓN EMITIDA La mayor preocupación por la contaminación que produce el tráfico rodado se refiere a las zonas urbanas, en donde un gran volumen de vehículos y elevadas cifras de peatones comparten las mismas calles. Ciertos países controlan ya los niveles de contaminación de estas zonas para comprobar que no se sobrepasan las cifras establecidas internacionalmente. Los peores problemas se producen cuando se presenta una combinación de tráfico intenso y de calor sin viento; en los hospitales aumenta el número de urgencias por asma bronquial, sobre todo entre los niños. Las concentraciones son más elevadas en las calzadas por donde circulan los coches, o cerca de estas (es probable que el máximo se alcance de

288


hecho dentro de los vehículos, donde las entradas de aire están contaminadas por los vehículos que van delante) y se reducen con rapidez incluso a poca distancia de la calzada sobre todo si sopla el viento. Sin embargo, aparte de los efectos directos sobre la salud de las personas que respiran los humos del tráfico, los productos químicos interactúan y producen ozono de bajo nivel, que también contribuye al calentamiento global, así como lluvia ácida, la cual tiene efectos destructores sobre la vida vegetal, aun en países alejados de las fuentes de emisión. Los contaminantes más usuales que emite el tráfico son el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno, los compuestos orgánicos volátiles y las macropartículas. Por lo que se refiere a estas emisiones, los transportes en los países desarrollados representan entre el 30 y el 90% del total. También hay compuestos de plomo y una cantidad menor de dióxido de azufre y de sulfuro de hidrógeno. El amianto, que se utilizaba en los elementos de los frenos de coches y camiones y se liberaba a la atmósfera al frenar, ha sido prohibido. Sin olvidar que el tráfico es también una fuente importante de dióxido de carbono. El monóxido de carbono es venenoso. A dosis reducidas produce dolores de cabeza, mareos, disminución de la concentración y del rendimiento. Los óxidos de nitrógeno y azufre tienen graves efectos sobre las personas que padecen asma bronquial, cuyos ataques empeoran cuanto mayor es la contaminación, pues además estas sustancias irritan las vías respiratorias, si bien aún no hay una explicación médica precisa. Entre los compuestos orgánicos volátiles está el benceno, que puede provocar cáncer, al igual que el amianto, aunque su efecto solo está claramente establecido a dosis más altas que las debidas al tráfico. Las macropartículas son partículas sólidas y líquidas muy pequeñas que incluyen el humo negro producido sobre todo por los motores diesel y se asocian a una amplia gama de patologías, entre ellas las enfermedades cardiacas y pulmonares. El plomo dificulta el desarrollo intelectual de los niños. El dióxido de carbono no siempre se clasifica como contaminante, pero sí guarda relación con el calentamiento global. Según la OMS las partículas en suspensión son los agentes contaminantes más

letales. Si se redujeran los niveles de este contaminante, la cifra anual de fallecidos por cáncer, infartos de miocardio o enfermedades pulmonares en las ciudades contaminadas podrían descender hasta un 15%. Los catalizadores limpian parte de las emisiones, pero no así el plomo, el dióxido de carbono ni las macropartículas. El dióxido de carbono es inevitable en los combustibles fósiles; su reducción depende de la utilización de otros combustibles, de mejorar la eficacia del combustible o de reducir el volumen de tráfico. ¿Qué se puede hacer para prevenir la polución del aire debida a los procesos de combustión?

Durante la combustión incompleta de un combustible, pueden ser liberados contaminantes del aire. Muchos de estos contaminantes provocan problemas ambientales. Otro ejemplo de contaminante del aire que es emitido durante los procesos de combustión es el dióxido de azufre. Para prevenir este problema no hay más solución que cambiar a combustibles que contienen menos o nada de azufre. Otros contaminantes del aire que son emitidos durante los procesos de combustión son los óxidos de nitrógeno. Para prevenir las emisiones de óxidos de nitrógeno, hay que prestar atención a la concentración de oxígeno que se añade a los procesos de producción. Cuando la concentración de oxígeno supera un cierto límite, el oxígeno y el nitrógeno pueden reaccionar y formar óxidos de nitrógeno. Un factor clave son las elevadas puntas de temperatura que se alcanzan algunas veces. El tercer contaminante directamente relacionado con la combustión es el monóxido de carbono. Para prevenir la polución atmosférica durante los procesos de producción, se pueden tomar medidas técnicas, con el fin de ajustar los procesos. Las industrias pueden utilizar modelos de producción más limpias, tales como técnicas alternativas de destilación, tratamiento de gases y reducción catalítica selectiva. Para prevenir las emisiones de partículas de polvo hay que usar filtros. Estos actúan bajo el principio de los distintos tamaños de partícula. Las partículas más grandes se quedarán en el filtro, mientras que el aire atraviesa el filtro.

289


MeO + R o RO + Me 2 Me + O2 o 2 MeO

¿Qué es el convertidor catalítico? ¿Cómo funciona?

El término “convertidor catalítico” designa genéricamente a un reactor instalado entre la salida del motor y el silenciador del tubo de escape de los gases. Consta de una carcasa de acero inoxidable que contiene en su interior al soporte del catalizador y el catalizador propiamente dicho, sustancias químicamente activas. Durante los últimos veinte años, los avances tecnológicos han permitido una reducción de las emisiones de los automóviles del orden del 95% de monóxido de carbono e hidrocarburos libres y 75% de óxidos de nitrógeno. Esto representa un claro ejemplo de la evolución conjunta de las industrias automotrices y refinadoras, el primero y quizás el más significativo: la eliminación de plomo de las naftas y por lo tanto la posibilidad de equipar a los vehículos nuevos con convertidores catalíticos para el tratamiento de los gases de emisión con la consecuente reducción en la toxicidad de los mismos. Este diseño se completa con el agregado de la sonda Lambda, que permite controlar y regular permanentemente la cantidad ideal de aire para la combustión. La Figura 20.8 muestra su ubicación en el vehículo. Los catalizadores son sustancias sólidas que pueden pertenecer a dos categorías: • •

Catalizadores de óxido metálico: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, y Cu. Catalizadores de metal noble (Pt, Pd, Ag, Au) aleados con Ru, Rh, Os e Ir.

Para los óxidos metálicos, el mecanismo de reacción es el siguiente:

De esta manera el producto contaminante, R, es oxidado a RO a baja temperatura. La Tabla 20.8 muestra las temperaturas a las que pueden oxidarse ciertos contaminantes usando catalizadores de óxidos metálicos. Como se observa en la tabla la temperatura desciende, en algunos casos, más de 500 ºC en comparación con la oxidación térmica convencional. Tabla 20.8. Temperaturas de combustión con catalizador de diversos compuestos. Compuesto

ºC

Compuesto

ºC

Etileno

300

Butano

290

Heptano

275

Benceno

300

Tolueno

270

Xileno

280

Naftaleno

270

Metanol

190

Etanol

210

Propanol

210

Cresol

240

Metiletilcetona

240

Piridina

250

Tributilamina

200

Clorobenceno

350

Cloroformo

350

Disolventes de offset

260

Manipulación café

180

Restos de animales y curtidos

270

NH3

270

HS2

200

CO

180

De las tres clases de compuestos: monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos sin quemar, el mecanismo de acción del convertidor catalítico de tres vías, llamado as porque actúa eliminando principalmente estos tres tipos de conta-

Figura 20.8. Situación de un convertidor catalítico y un detalle de su sección.

290


minantes en el mismo compartimiento, mediante reacciones de oxidación y reducción, transforma los contaminantes en compuestos no tóxicos: nitrógeno y agua y dióxido de carbono. Los convertidores catalíticos de tres vías hacen referencia a las tres clases de contaminantes que debe eliminar (CO, HC y NOx). El convertidor utiliza dos tipos de catalizadores, uno de reducción y otro de oxidación. Ambos se sostienen en una estructura cerámica cubierta con metal normalmente platino, rodio y paladio. Se trata de crear una estructura que exponga al máximo la superficie del catalizador contra el flujo de gases de escape, minimizando también la cantidad de catalizador requerido ya que es muy costoso. •

•

•

Catalizador de reducción: es la primera etapa del convertidor catalítico. Utiliza platino y rodio para disminuir las emisiones de NOx. Cuando una molécula de monóxido o dióxido de nitrógeno entra en contacto con el catalizador, este atrapa el átomo de nitrógeno y libera el oxígeno, posteriormente el átomo de nitrógeno se une con otro átomo de nitrógeno y se libera. Es decir, descompone los óxidos de nitrógeno en oxígeno y nitrógeno que son los componentes del aire y por lo tanto no son contaminantes. Catalizador de oxidación: es la segunda etapa del convertidor catalítico. Este catalizador de platino y paladio toma los hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO) que salen del motor y los hace reaccionar con el oxígeno que también viene del motor generando dióxido de carbono (CO2). Sistema de control: la tercera etapa monitorea los gases de escape del motor y utiliza esta información para controlar el sistema de inyección de combustible del motor. Existe un sensor de oxígeno en los gases de escape del motor antes de llegar al convertidor catalítico. El sensor informa a la computadora sobre la cantidad de oxígeno existente en el escape, con ello la computadora puede aumentar o disminuir la cantidad de oxígeno en el escape ajustando la relación de aire-gasolina. El sistema de control le permite garantizar que el motor estça funcionando con una relación

muy cercana a la estequiométrica y además le permite mantener suficiente oxígeno en el escape para oxidar los hidrocarburos y el monóxido de carbono.

LA CONTAMINACIÓN ACÚSTICA El ruido representa hoy en día un verdadero problema ambiental y para la salud, con mayor incidencia en el medio urbano. Desde el punto de vista físico, el sonido se puede definir como las alteraciones de la presión que percibe el oído humano. En realidad no es más que una alteración mecánica que se propaga a través de un medio elástico en forma de movimiento ondulatorio que se transmite en todas las direcciones mediante ondas longitudinales (paralelas a la dirección de propagación). Como toda onda, viene caracterizada por la frecuencia y la amplitud de la oscilación. De acuerdo con esta definición de sonido, se puede decir que el ruido no es más que una mezcla de sonidos de diversas e indeterminadas frecuencias, que produce en la mayoría de los casos sensaciones desagradables, provocando alteraciones fisiológicas y psicológicas en las personas. El decibelio (dB) es la unidad en la que se mide la intensidad del sonido. A partir de 45-55 dB algunas personas comienzan a sentir molestias. La intensidad de una onda que se propaga se define como la cantidad de energía transportada por la onda por unidad de tiempo y de superficie (o sea, una potencia por unidad de superficie), y por tanto se medirá en W/m2. A causa del gran intervalo de intensidades a las cuales es sensible el oído, se emplea una escala logarítmica para su medición, en lugar de la escala natural. De esta manera surge el decibelio, o nivel de intensidad, que se define como: dB=10log(E/E0), donde E es la intensidad de la onda y E0 la intensidad de referencia. La presión sonora se define como el incremento de la presión atmosférica que resulta de la presencia o falta de sonido. La magnitud, que normalmente se mide con un micrófono, es la presión sonora eficaz. La potencia sonora equivale a la emisión sonora de una fuente de ruido y se expresa en vatios (W). La relación entre estos parámetros y la fuente originaria o habitual está sintetizada en la Tabla 20.9.

291

Modelo actual. Sostenibilidad ambiental del transporte Tabla 20.9. Relación entre la presión, la intensidad sonora y su fuente (Fuente: Acústica Integral).

!

Intensidad (W/m2)

L (dB)

Fuente

63,2

10

130

Umbral de dolor.

20,0

1

120

Despegue de un reactor.

6,32

0,1

110

Máquina de obra pública.

2,0

0,01

100

Martillo neumático.

0,632

0,001

90

Camión diesel a 11 metros.

0,2

0,0001

80

Grito a 1 metro.

0,0632

0,00001

70

Oficina llena.

0,02

0,000001

60

Conversación normal a 1 metro.

0,00632

0,0000001

50

Área urbana tranquila durante el día.

0,002

0,00000001

40

Área urbana tranquila noche.

0,000632

0,000000001

30

Área suburbana tranquila noche.

0,0002

0,0000000001

20

Campo tranquilo.

0,0000632

0,000000000001

10

Rumores.

0,00002

0,0000000000001

0

Umbral de audición.

El tráfico rodado es el responsable de más del 80% de la contaminación acústica de las ciudades, constituyéndose en uno de los aspectos más significativos del medio urbano: el ruido. El ruido puede provocar alteraciones físicas y funcionales en las personas: — Sobre el oído: • Problemas de audición: fatiga auditiva, elevación del umbral auditivo, llegándose incluso a la rotura del tímpano con sordera permanente. • Problemas de equilibrio: náuseas, vómitos, mareos. — Sobre el psiquismo: • Molestias generales, nerviosismo, irritabilidad, alteraciones del sueño. • Fatiga psíquica y esfuerzo para comprender y hablar. Tensión nerviosa. • Rendimiento y atención: afecta al automatismo. Sistema nervioso autónomo, con riesgo de accidentes. • Depresión grave con alteraciones de la personalidad. — Alteraciones neurovegetativas: • Problemas generales cardiovasculares, nerviosos, respiratorios y digestivos.

• Uno de los objetivos de todos los planes de medio ambiente urbano es el de reducir los niveles de ruido en el medio urbano que perjudica la calidad de vida de los ciudadanos. El Tribunal Constitucional (TC) fundamenta que “el ruido, en la sociedad de nuestros días, puede llegar a representar un factor psicopatógeno y una fuente permanente de perturbación de la calidad de vida de los ciudadanos y así lo acreditan en particular las directrices marcadas por la Organización Mundial de la Salud sobre el ruido ambiental”. Añade que “en ellas se ponen de manifiesto las consecuencias que la exposición prolongada a un nivel elevado de ruidos tienen sobre la salud de las personas, por ejemplo deficiencias auditivas, apariciones de dificultades de comprensión oral, perturbación del sueño, neurosis, hipertensión e isquemia, así como sobre su conducta social, en particular, reducción de los comportamientos solidarios e incremento de las tendencias agresivas”. Cartografía sonora

La Ley del Ruido establece la obligación de realizar un diagnóstico para conocer los niveles de contaminación acústica a través de los mapas de ruido. De este modo, España contará con una cartografía sonora fundamental para luchar contra este grave problema ambiental.

292


En una primera fase, que concluía en junio de 2007, se elaboraron mapas de ruidos en las quince grandes ciudades españolas con una población superior a 250.000 habitantes; los 24 grandes ejes viarios con más de seis millones de vehículos y con una longitud total de 2.546 kilómetros; los grandes ejes ferroviarios cuyo tráfico supera los 60.000 trenes al año y los once grandes aeropuertos donde se producen más de 50.000 movimientos de aviones al año. En una segunda fase, antes del 30 de junio de 2012, se elaborarán mapas estratégicos de ruido en las 56 aglomeraciones españolas con una población superior a 100.000 habitantes y los 26 ejes viarios con más de tres millones de vehículos al año y una longitud de 5.422 kilómetros. También deberán contar con mapas de ruido los grandes ejes ferroviarios que superen los 30.000 movimientos de trenes al año, que se estima que será alrededor de una tercera parte de la red total de ferrocarriles. La Ley incluye la obligación de realizar planes de acción, que pueden ser tanto preventivos como correctores. Estos deben corresponder a los ámbitos territoriales de los mapas de ruido y tienen que fijar acciones prioritarias para cumplir con los objetivos de calidad acústica y prevenir el aumento de la contaminación acústica en zonas tranquilas. Los planes deberán estar concluidos un año después de la elaboración de los mapas de ruido. Los objetivos de calidad acústica se determinarán para cada una de las zonas en función del uso del suelo (residencial, industrial, recreativo, sanitario y espacios naturales, entre otros). De este modo, la planificación urbanística y territorial deberá tener en cuenta estos objetivos y quedará prohibido conceder licencias de construcción de edificaciones de viviendas, usos hospitalarios, educativos o culturales si los índices de inmisión incumplen los objetivos. Particularidades del transporte terrestre

Los sistemas de transporte terrestre están considerados como una de las principales fuentes de emisión sonora, a través del tráfico de vehículos. En cuanto a los vehículos, los focos de producción principales, aunque no únicos, son el motor y los neumáticos. La implantación relativa de estas dos fuentes varía con la velocidad:

•

•

A baja velocidad, el motor es la fuente predominante y el nivel de ruido producido es tanto mayor cuanto menor es la protección que tiene el motor. A velocidades próximas a los 100 km/h, el ruido producido por los neumáticos adquiere tanta importancia como el debido al motor.

Los niveles de ruido registrados normalmente en las carreteras e incluso en calles muy ruidosas, están lejos de los requeridos para causar lesiones en los oídos, incluso en caso de exposiciones prolongadas. Sin embargo, el incremento del nivel de ruido se produce mucho más lentamente que el del tráfico. Por otra parte, con tráfico denso, la importancia de las puntas de ruido resulta mucho menos variable, y cuando el tráfico es ligero, debido a ese efecto de puntas, tiene gran importancia el número de camiones presentes en la circulación. Para proceder a la comparación con la situación preoperacional, se pueden calcular los niveles sonoros existentes en la actual red de carreteras y en los diferentes tramos considerados para las soluciones propuestas. Estas estimaciones pueden referirse al año de puesta en funcionamiento y al año horizonte. Los ruidos producidos por el funcionamiento de motores instalados son: •

•

De carácter continuo (equipo para hincar pilotes, planta asfáltica, central de machaqueo, etc.). De carácter puntual (equipos de compactación, arranque de material, carga, etc.).

Pantallas acústicas

Las pantallas acústicas son protecciones para atenuar el ruido provocado, básicamente, por el tráfico ya sea de vehículos o de ferrocarril. Existen dos modalidades de barreras acústicas: •

•

Las barreras reflectantes. Fabricadas con materiales con escasa o nula porosidad como la cerámica densa o el vidrio. Obviamente, solo protege del ruido la parte situada detrás de la barrera. Las barreras absorbentes, fabricadas con materiales con mucha porosidad abierta. Como absorbe la onda sonora, protege ambas partes.


A la lista también se podrían añadir las densas, un talud de tierra o un muro de piedra, son barreras a la propagación del sonido. Sin embargo, tratándose de protecciones al tráfico debe tenerse siempre presente la seguridad. El impacto contra un muro de estas características suele ser muy grave. En las grandes aglomeraciones el problema del factor acústico derivado de los diversos sistemas de transporte se hace todavía más agobiante. Estudios realizados en diversos países demuestran que casi el 80% de las quejas de los habitantes de las grandes ciudades están motivadas por el ruido procedente de los medios de transporte. A pesar de que los fabricantes de vehículos han desarrollado dispositivos que atenúan el nivel sonoro y los firmes se construyen de manera que la absorción de ruido sea mayor, el incremento del tráfico, la proximidad de los aeropuertos o la puesta en marcha de nuevos sistemas de transporte, como es el caso del tren de alta velocidad, devienen problemas, por el momento, irresolubles que obligan a tomar medidas correctoras, como son las pantallas acústicas.

Figura 20.9. Pantalla acústica absorbente para exteriores.

293

Las pantallas acústicas o pantallas de sonido son instrumentos muy útiles para la atenuación de todos aquellos ruidos generados por fuentes lineales, como es el tráfico rodado o los ferrocarriles. La Figura 20.9 muestra una pantalla acústica absorbente realizada a partir de restos de fragmentación de automóviles, en especial la fracción de gomas y plásticos. Particularidades del transporte aéreo

El transporte aéreo es especialmente ruidoso en un radio de unos 7 km en torno a los aeropuertos. La unión Europea, para paliar esta situación, impulsa el Proyecto Silence con 110 M€. El objetivo es reducir el ruido al 50% en el horizonte de 2020. Hay grupos específicos de trabajo, con reuniones como Accoustics 08-NS28-EU Projects for Aircraft Noise Reduction, Paris 2008, o Turbomachinery Broadband Noise en Bilbao, o el X-3 Noise Mapping Seminar en Madrid, ambos en 2009. Los principales causantes del ruido de los aviones son principalmente los motores durante el des-

294


pegue, en cambio en el aterrizaje los motores solo causan el 50% del ruido, el resto se debe a la cabina de pasajeros, el tren de aterrizaje y los elementos de sustentación como los flaps o los frenos de aire. El ruido es generado por el flujo turbulento del aire con incrementos y disminuciones de presión, que originan ondas acústicas en una banda ancha de frecuencias, lo que provoca que todo el avión vibre, pero los elementos que generan más ruido son los motores, las alas y el tren de aterrizaje. La intensidad de ruido generado por un motor de avión es función de los gases de escape. Se puede conseguir un mismo empuje hacia atrás, si se disminuye la velocidad de los gases quemados y se aumenta la masa de aire que impulsa el motor, sin que la solución afecte a la potencia del motor. Este es el principio del motor con derivación, que llevaba la turbina del Caravelle, alrededor de la mitad del siglo pasado, con soplante delante de la turbina. Con este sistema una parte del flujo de aire que entra en el motor no pasa por las cámaras de combustión sino que las rodea por el exterior, siendo impulsado por la soplante delantera, y en el extremo posterior del motor se mezcla de nuevo con los gases calientes. El resultado es mayor masa a menor velocidad e igual impulso, resultando un ruido muy inferior. Este principio se mejoro aún más con los reactores de gran derivación de General Electric. La ubicación de los motores afecta también al ruido. Pocos motores se encuentran empotrados en el ala. Normalmente se sitúan en el extradós o en el intradós del ala, soportados por pilones. El ruido mínimo se logra con el reactor encima del borde de salida del ala.

Respecto al ruido que genera el ala hay que matizar que durante todo un trayecto la forma del ala suele variar, por las superficies de control como los flaps, los alerones, los spoilers y los slats. Los flaps, que se encuentran en el borde de salida del ala, son desplegados en el despegue y aterrizaje para generar una mayor sustentación del avión, al hacer que el flujo laminar recorra más distancia desde el borde de ataque del ala hasta el borde de salida. Pero evidentemente también generan mayor resistencia, que se compensa forzando una mayor potencia a los motores o reduciendo el ángulo de ataque. Los slats, al igual que los flaps, son elementos hipersustentadores del avión, se encuentran ubicados en el borde de ataque del ala. Los estabilizadores horizontales o verticales situados en el empenaje trasero y en los alerones de las alas, respectivamente, sirven para maniobrar el avión en el aire, siendo también fuente de ruidos. El tren de aterrizaje generalmente se encuentra oculto en el interior de las alas, al igual que las ruedas delanteras en el fuselaje, pero están desplegados en el aterrizaje y en el despegue; también generan importantes ruidos precisamente cuando se está más cerca de tierra. La Silent Aircraft Initiative es la solución americana a la reducción del ruido, en la que también participa Europa y la Nasa, formando parte del consorcio Cambridge.MIT Institute, Rolls Royce, Boeing y Marshall Aerospace. Proponen, como mejoras, situar los motores en el borde de salida del ala, con pilones, o incluso formando parte del ala en el extradós (al contrario del Concorde), por lo que todo el cuerpo del avión hace de pantalla acústica y evita que el ruido se propague a la tie-

Figura 20.10. El SAX 40, el avión experimental silencioso de Silent Aircraft Initiative.


rra. Con esta base se diseñó el SAX 40, considerado como “el avión silencioso” (Figura 20.10). En cuanto a los reactores, son con derivación, pero con toberas de geometría variable. Las tomas de aire en el compresor delantero están aún en estudio, pues afectan mucho al ruido. Aspecto muy parecido tiene el avión prototipo X-48B de Boeing, que realizó el primer vuelo por control remoto de demostración de estabilidad el 20 de julio de 2007. Se trata de un prototipo a escala de 8,5%, con unos 6,5 m de longitud, y su principal característica es el blended-wing-body, o sea fundir el ala con la cabina de pasajeros. Este avión, de entrar en producción, podría transportar cerca de 1.000 pasajeros y sería la respuesta de Boeing al Airbus 380. Es más aerodinámico que un avión comercial y la cabina de pasajeros aporta sustentación. Se estima que ahorra peso en un 25%, lo que contribuye a un importante ahorro de combustible volando a una velocidad convencional y

295

generando menor ruido. En este prototipo el pasajero se encuentra dentro de un salón muy ancho sin ventanillas. Las tomas de aire del motor se hallan en el extradós del ala y los timones verticales en el extremo de las alas (Figura 20.11). La solución europea a la reducción del ruido pasa por Proyecto Silence y tiene como coordinador a Snecma, sociedad francesa aerospacial de Grupo Safran, que ha conseguido un 5% de reducción en el ruido. Ha trabajado en el tren de aterrizaje, y especialmente en la reforma del propulsor, en los pilones y en la carcasa que envuelve la turbina, reformando las entradas de aire al compresor delantero. Así, ahora la nueva forma geométrica del Airbus A320 dirige el ruido hacia arriba. También ha desarrollado el sistema zero splice, que ya se ha introducido en el Airbus A380, que consiste en unir sin costuras los paneles que conducen el aire de entrada al motor, y que mereció el 13th Decibel d’Or Aeronautics Award en diciembre de 2006.

Figura 20.11. Avión prototipo X-48B de Boeing (foto NASA).

296


Transporte y emisiones de CO2 El sector del automóvil es el único que ha registrado tasas importantes de aumento de CO2 en los últimos quince años. El gráfico de la Figura 20.12 muestra el impacto en términos de calentamiento global (en gCO2 equivalente/km) para máquinas de combustión interna, mientras que el gráfico de la Figura 20.13 se refiere a las pilas de combustible. Conviene destacar que las pilas de metanol, si el combustible procede de fuentes no renovables, suponen una elevada aportación de CO2, lo que contribuye a incrementar significativamente el efecto invernadero. En cambio, si el metanol proviene directamente de la madera, estas emisiones no se contabilizan, puesto que no es CO2 antrópico añadido a la atmósfera sino CO2 fijado previamente por la biomasa. En el caso de las pilas de hidrógeno no se emite CO2 en su operación pero se observan grandes emisiones de CO2 en la producción del hidrógeno a partir de fuentes no renovables de energía. Las tecnologías de pila de combustible alimentadas con hidrógeno y con metanol se encuentran todavía en fase de investigación, por lo

que no son fácilmente contrastables los resultados obtenidos a partir de análisis de ciclo de vida y análisis económicos de los combustibles convencionales y de dichas tecnologías en estadio de desarrollo. La nueva directiva de medidas energéticas de la UE establece como objetivo vinculante para España una reducción del 10% de la emisión de gases contaminantes en los llamados sectores difusos (transporte y viviendas). Bajo este nombre se agrupan los sectores que no estaban sujetos a la anterior directiva de comercio de derechos de emisiones. Es decir, no tenían un tope máximo de toneladas de CO2 y suponían el 60% de las emisiones de la UE. Aquí se incluyen, entre otros, el transporte, la construcción o la agricultura, obligados, a partir de 2013, a introducir medidas que eviten la contaminación. Este recorte está en la media de los países de la Unión. Irlanda, Dinamarca y Luxemburgo asumen la mayor carga, con una reducción de la contaminación del 20%. En cambio, países como Bulgaria y Rumania podrán aumentar sus emisiones un 20%

Figura 20.12. Emisiones de CO2 a lo largo del ciclo de vida de un vehículo con motor de combustión interna.


297

Figura 20.13. Emisiones de CO2 a lo largo del ciclo de vida de un vehículo de pila de combustible.

y un 19%, respectivamente, en relación con los niveles de 2005 para continuar con su desarrollo. A las industrias que tradicionalmente estaban sujetas al comercio de derechos se les unen ahora, con esta nueva normativa, los sectores del aluminio, el petroquímico y, próximamente, el aeronáutico. Estas empresas dejan de estar sujetas a los objetivos de reducción por países para agruparse bajo la única meta de reducción del 21%, respecto de las emisiones de 2005, para toda la UE. Los planes de asignación de derechos por países desaparecen en aras de esta reducción común. Los ministerios de Medio Ambiente e Industria valoraron, a primeros de 2008, positivamente este objetivo común para las empresas. Entendieron ambos que la UE ha tenido en cuenta los criterios “de equidad defendidos por España a la hora de repartir los esfuerzos y aseguraron que las empresas españolas no estarán así “discriminadas respecto a

las de otros países al fijar los techos de emisión de gases de efecto invernadero. Uno de los cambios más polémicos que ha introducido la Directiva es la reducción de la cantidad de derechos de emisión de CO2 gratuitos a disposición de las empresas. El primer objetivo de Bruselas era la desaparición total de esta gratuidad y que los sectores compraran su derecho a contaminar en subastas nacionales. En 2020, habrá disponibles para la subasta unos 1.720 millones de toneladas de derechos de CO2, un 21% menos que en 2005. Esta cantidad se repartir entre los estados miembros que subastarán los derechos entre empresas como las eléctricas, que no recibirán cuotas gratuitas. Todavía no est decidido qu cantidad ir para cada país. La UE recomienda que el 20% de los beneficios obtenidos en estas pujas se dediquen a políticas medioambientales y medidas de impacto social.

Impacto ambiental y sostenibilidad del transporte a medio plazo

21

EL TRANSPORTE ACTUAL PRODUCE UNA IMPORTANTE CONTAMINACIÓN, QUE AFECTA GRAVEMENTE A LA SALUD DE LAS PERSONAS. •

• •

• • • •

Los pulmones filtran una media de 15 kilos de aire al día. Se calcula que, cada año, mueren en Madrid más de 26.000 personas y más de 16.000 en Barcelona, y cifras proporcionales en otras ciudades, por problemas derivados de la presencia de materiales particulados. El CO y el material particulado asociados al tráfico parecen ser los más nocivos. Los vehículos de gasolina y diesel emiten, en valor medio, 165 y 152 g CO2/km, mientras que un híbrido se sitúa en unos 95, y los vehículos con bioetanol y biodiesel en 60 y 40 g de CO2/ km. Los tres primeros deberían aumentarse en un 21% por los efectos de su extracción, refino y distribución, valor que ya están contabilizados en los dos últimos. España es el segundo país industrializado, después del Japón, con problemas por niveles de ruido derivados del tráfico. La escalada del precio del barril de petróleo puede hacer inasequible el precio de venta de los carburantes. Debería modificarse la política de fiscalidad sobre los carburantes y la política de las ayudas comunitarias hacia los cultivos energéticos. El futuro del automóvil parece estar en las pilas de combustible, los biocombustibles tienen unos límites, y los híbridos y los eléctricos parecen un paso intermedio.

Introducción El Libro Blanco de la Unión Europea, que plantea claramente la “necesidad de integrar el transporte en el desarrollo sostenible”, contempla entre sus propuestas, en lugar destacado, la “racionalización del transporte urbano”, apostando claramente por potenciar el transporte público en detrimento del privado. El automóvil tal y como se concibe hoy en día no es sostenible por:

•

•

La emisión de gases (Protocolo de Kyoto). Los carburantes dependen en un 99% del petróleo. Cantidad y procedencia de los gases emitidos. Según el Observatorio de la Movilidad del Ministerio de Medio Ambiente, entre 1970 y 2000 la demanda energética del sector transporte se ha triplicado.

300


En España el transporte es el principal causante de gases de efecto invernadero, ya que contribuye con más del 40% al consumo de la energía primaria que, sorprendentemente, no está sujeta al Protocolo de Kyoto. La emisión de estos gases forma parte de la denominada emisión difusa. La relación entre la masa de CO2 emitida y los gases de combustión depende del exceso de aire: cuanto mayor sea, más gases se emitirán. Por lo general, la relación entre gases de combustión y CO2 suele estar alrededor de 6. En el capítulo anterior, Tabla 20.6, se ha comentado que un conductor que realice unos 10.000 km/año con un vehículo emite 11,3 toneladas de gases con 1,46 toneladas de CO2/ año. Esta cantidad es 15 veces superior (o “solo” 2,6 veces si se mide en términos de CO2) que la

cantidad correspondiente a los residuos domiciliarios. Al margen del CO2, la Tabla 21.1 muestra la importancia de las emisiones contaminantes de los vehículos, en la ciudad de México, citando fuentes de Ecoengen. Asimismo, la tabla pone de relieve la importancia del uso de los catalizadores. Los valores que aparecen no son nada despreciables. Así, en el caso del CO (gas tóxico), 20,2 g/km equivale a 205 kg/año y vehículo, en el caso de realizar 10.000 km al año. La Tabla 21.2 muestra el análisis de los gases, húmedos y secos, que genera un automóvil estándar, sin tener en cuenta los contaminantes. De todo ello se colige que, tanto por el agotamiento del petróleo como por la cantidad de gases emitidos, el modelo actual no es sostenible.

Tabla 21.1. Emisiones de contaminantes, en g/km, según la tecnología.

CO (g/km)

Carburador

" unipunto

" multipunto

Promedio general

55

36

12

20,2

NOx (g/km)

2,3

1,7

1,0

1,3

THC (g/km)

7,1

3,1

1,2

2,4

CO2 (g/km)

261

283

272

271

Tabla 21.2. Análisis de los gases emitidos por un vehículo. ANÁLISIS DE GASES DE COMBUSTIÓN Gases húmedos (% vol)

Gases secos (% vol)

N2

74,3%

84,9%

O2

1,8%

2,0%

CO2

11,4%

13,1%

H 2O

12,5%

0,0%

TOTAL

100,0%

100,0%

Transporte y salud La correlación entre el contenido de plomo en sangre y automoción es casi directa. En EE UU se aprobó en 1986, a partir de la Ley de Aire Limpio, la supresión de las gasolinas con plomo. En este año el nivel de plomo en sangre era de 625 veces el que tenían los ciudadanos hace cien años. A partir de este año el nivel de plomo en sangre se redujo en un 80%, no obstante el Pb es un metal pesado y el organismo no lo elimina sino que lo acumula en huesos y otros tejidos.

El plomo en la atmósfera procede de las gasolinas con plomo, la minería y la industria. Cada año se lanzan, de manera legal, más de 100.000 toneladas de este metal a la atmósfera. La investigación sobre el aire ocluido en las gotas de aire retenidas en los hielos antárticos ha demostrado que la atmósfera anterior a 1920 carecía de plomo. En este sentido es aleccionador citar las maniobras de la Ethyl Corporation (empresa estadounidense que se creó en la década de 1920 como


filial de la General Motors, la Standard Oil y la Du Pont, para la producción de plomo tetraetilo para adicionar a las gasolinas). Prácticamente desde la fundación de dicha empresa hubo casos de graves intoxicaciones y muertes con las consiguientes denuncias. Para persuadir a la población de la inocuidad de su fabricado, el aditivo a base de plomo, la Ethyl Corporation financió innumerables análisis de heces y orines donde jamás se detectó plomo. Como es bien sabido, el Pb es un metal pesado que se bioacumula y no se excreta. Sus directivos, gente influyente, consiguieron que se cortara la financiación de investigadores que trabajaban sobre los efectos del plomo en el organismo. En el mismo sentido, pero con referencia al efecto invernadero de los gases resultantes de la combustión de los carburantes para automoción, saltó a la opinión pública, a primeros de 2007, el escándalo de la Exxon Mobil (Empresa norteamericana que es la primera petrolera del mundo) que durante años ha sobornado a centros de investigación, técnicos y divulgadores para que desinformaran a la opinión pública sobre el problema del efecto invernadero, de forma semejante a lo que hizo la industria del tabaco en relación a la nicotina. Según la Comisión Europea, el informe 2005 de la Organización Mundial de la Salud y el Ministerio de Medio Ambiente de España, en toda Europa el aire sucio es el responsable de 225.000 muertes prematuras al año por diversas causas (afecciones respiratorias y cardiovasculares), lo que supone más del doble de las muertes causadas por accidentes de tráfico (90.082) en el mismo periodo. Considerando solo España, la relación se eleva de forma alarmante a cerca de cinco veces (15.000 vs. 3.329). En el área urbana de Barcelona el nivel de algunos contaminantes está por encima del doble de los límites máximos que establece la Unión Europea, en concreto las partículas en suspensión de menor tamaño y los óxidos de nitrógeno causados por los tubos de escape de los vehículos, las industrias y el polvo ambiental fundamentalmente. El transporte privado representa el 3% del PIB de la UE, convirtiéndose en un sector clave de la economía; sin embargo, el análisis ambiental descubre numerosos extracostes, como el impacto económico causado por los accidentes, pérdidas por contaminación atmosférica, congestión del trá-

301

fico, daños al paisaje y la naturaleza, contribución al cambio climático y contaminación sonora. Para minimizar y/o eliminar estos aspectos las administraciones deben estimular el transporte público, instaurar medidas para pacificar el tráfico de vehículos en las ciudades, colocar filtros en los vehículos de motor diesel e impulsar la utilización de nuevos combustibles (biocombustibles e hidrógeno) que adicionalmente contribuirán a disminuir la actual dependencia del petróleo. Diariamente nuestros pulmones filtran quince kilos de aire, y si se vive en una gran ciudad o próximos a una carretera, ese aire contendrá contaminantes emitidos por los automóviles, como el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno, el dióxido de azufre, partículas, plomo y dicloro-1,2-etano, hidrocarburos, formaldehído, y contaminantes secundarios como el ozono y los peroxiacetilnitratos, algunos de ellos cancerígenos, y casi todos perjudiciales para la salud humana. El monóxido de carbono se combina 210 veces más rápidamente con la hemoglobina de la sangre que el oxígeno, formando la carboxihemoglobina, que impide la oxigenación de los tejidos. Un automóvil de tamaño medio matriculado a partir de 2000, con todos los adelantos para reducir la contaminación (catalizadores, gasolina sin plomo), y con un bajo consumo energético, que haga unos 13.000 kilómetros anuales y que dure diez años, producirá, según el Instituto de Prospectiva y Medio Ambiente de Heidelberg, Alemania, lo siguiente: • 20,9 toneladas de dióxido de carbono, • 4,8 kilogramos de dióxido de azufre, • 46,8 kg de óxidos de nitrógeno, • 25 kg de monóxido de carbono, • 36 kg de hidrocarburos, y • 26,5 toneladas de residuos. El informe también detalla la contaminación de suelos, aire y agua por gasolina o gasóleo, cadmio, plomo, cobre, cromo, níquel, zinc y PCB. Las deposiciones ácidas de cada automóvil causarán la muerte de tres árboles y dañarán seriamente a otros 30. El coche en cuestión acortará, por término medio, la vida en 820 horas, debido a accidentes mortales de tráfico; uno de cada 100 conductores morirá en accidentes de tráfico. Los costes externos debidos a la contaminación, el ruido y los acci-

302


dentes, una vez deducidos todos los impuestos que paga el vehículo, ascienden a 4.100 euros anuales. Las partículas finas, de 2,5 milésimas de milímetro (PM2,5), son invisibles al ojo humano pero muy perjudiciales para la salud, incluso llegan a ser mortales, provocando afecciones respiratorias y cardiovasculares. Estudios científicos han demostrado que las partículas finas agudizan los efectos crónicos, y que una mejora de la calidad del aire con la disminución de su presencia conlleva una reducción de la mortalidad prematura y el incremento de la esperanza de vida de forma exponencial. La Organización Mundial de la Salud (OMS) recomienda que las PM2,5 se reduzcan a 10 microgramos por metro cúbico; la Agencia de Protección del Medio Ambiente de EE UU fija la reducción en 15; el Parlamento Europeo ha propuesto 20; y la Comisión Europea, 25. El estudio ha medido el impacto del aire contaminado en 26 ciudades de doce países europeos. En España se ha analizado las ciudades de Barcelona, Bilbao, Madrid y Sevilla. Ninguna de las cuatro ciudades españolas analizadas supera los 25 microgramos por m3 de aire

muestreado. La más contaminada es Barcelona con 23,8; seguida de Sevilla con 22,9, con datos de 2001 y 2002. Los niveles de partículas medios anuales oscilan entre 17 y 61 microgramos por m3 en las 26 ciudades europeas, donde habitan más de 40 millones de personas. Londres y Dublín son las que tienen un aire más limpio (menos de 10 microgramos), frente a Atenas (Grecia), Cracovia (Polonia) y Roma (Italia) que son las más contaminadas, con niveles por encima de los 25. Según un estudio publicado en el Journal of Epidemiology and Community Health, cada año mueren en Madrid más de 25.600 personas mayores de 30 años, en Barcelona más de 16.300, en Bilbao más de 6.000 y en Sevilla superan los 5.600 debidos a los niveles de partículas de 25 a 10 microgramos por m3. Si se reducen las emisiones de partículas en suspensión, la bajada de mortalidad sería directamente proporcional. En caso de lograr disminuirlas hasta los 10 microgramos por m3, las muertes disminuirían a unas 85 por cada 100.000 habitantes en Barcelona y a unas 36 en Madrid.

El impacto sonoro causado por el tráfico depende de los ruidos de los motores y del contacto de las ruedas con la calzada, fundamentalmente. Los camiones, motos y autobuses son los vehículos que más ruido producen. Un camión provoca un ruido equivalente al de 10 a 15 coches. El ruido empieza a ser molesto a partir de los 55 decibelios. Del 40 al 80% de la población de los países de la OCDE vive en zonas con más de 55 decibelios, y entre el 7 y el 42% de la población (más de 130 millones de personas) vive en zonas

con niveles inaceptables, con ruidos superiores a los 65 decibelios. España es el segundo país del mundo industrializado, solo superado por Japón, en niveles de ruido, y el primero entre los países de la Unión Europea: el 74% de la población está expuesta a niveles de ruido superiores a 55 decibelios, y el 23% sufre niveles de ruido superiores a 65 decibelios. Madrid es una de las ciudades del mundo más ruidosas. El 0,5% de la población de la OCDE soporta niveles de ruido superiores a 65 decibelios debido a los aeropuertos.

Automóvil, carburantes y futuro a corto plazo En el mundo de la automoción, por corto plazo puede estimarse un tiempo inferior a diez años. El incesante aumento del precio del petróleo conducirá a un valor de la gasolina inasequible. Suponiendo que el estado siga ingresando alrededor de un

50% del impuesto de hidrocarburos, una hipótesis de incremento del crudo y partiendo de un precio de venta al público de 1,23 €/l, la Tabla 21.3 indica que con estos parámetros se podría, en este lapso de tiempo, triplicar el precio de la gasolina. Algu-

303

Impacto ambiental y sostenibilidad del transporte a medio plazo Tabla 21.3. Estimación de la evolución del precio de venta de la gasolina en 10 años. ESTIMACIÓN DE LA EVOLUCIÓN DEL PRECIO DEL CARBURANTE Precio barril petróleo (enero 2008) 89,4 $ USA/barril 60,8 Precio litro petróleo (enero 2008) 0,38 €/l Precio gasolina 98 (enero 2008) 1,23 €/l Año

1

2

3

€/barril

4

5

6

7

8

9

Incremento precio petróleo

10%

10%

10%

10%

15%

15%

15%

15%

15%

Precio medio petróleo ($/barril)

98,3

108,2

119,0

130,9

150,5

173,1

199,1

228,9

263,3

Precio medio gasolina (€/l)

1,35

1,49

1,64

1,80

2,07

2,38

2,74

3,15

3,62

nos expertos pronostican que la crisis energética sobrevendrá cuando el barril de crudo alcance, de manera sostenida, los 130 US $ por barril. Si bien un año más tarde, y coincidiendo con la crisis global, el precio de la gasolina descendió justo por debajo de 1€/l, está previsto que vuelva a incrementarse, y la extrapolación de la Tabla 21.3 se cumpla con mayor o menor aproximación. Frente a ello aparece la oportunidad de los combustibles renovables, carburantes renovables o biocombustibles. Los más importantes son: •

•

Los bioalcoholes, o sustitutos de las gasolinas. Se fabrican a partir de azúcares: caña de azúcar en países cálidos o cereales (básicamente, trigo) o remolacha en países templados, como es el caso de España. Los biodiesel, o sustitutos de los diesel. Se fabrican a partir de plantas con semillas oleaginosas: soja, colza, girasol, cardos, etc. España presenta grandes posibilidades en este terreno.

La Directiva de biocombustibles 2003/30/EC de 8 de mayo de 2003 referente a la promoción del uso de biocombustibles para el transporte, establece el objetivo del 2,5% de biocarburantes en el sector del transporte en 2005 y del 5,75% para 2010. España no cumplió con la primera cita (escasamente se alcanzó el 0,4%) y, al paso actual, difícilmente se logrará la meta en 2010.

Los puntos de reflexión más sobresalientes sobre el futuro de la sostenibilidad son: •

•

•

•

El clima de España es propicio para la producción de ambos tipos de cultivos de los que se pueden obtener biocarburantes. Se puede presentar un cierto problema de espacio y agua. No obstante, estos no son los puntos más críticos. Es preciso cambiar la política de subvenciones (PAC: Política Agraria Común) para fomentar el cultivo de biocarburantes. (En nuestro país hay muchos cultivos subvencionados, que se pagan a condición de que no se recolecte la cosecha, como acontece con el girasol). Debería impulsarse una política de contención de masa forestal (a partir de la síntesis de Fischer-Tropsch, se puede obtener carburante de la madera) y en su lugar fomentar los cultivos de biocarburantes.

Desde el punto de vista económico, la obtención de biocarburantes, al precio actual de la gasolina, es rentable. El biocarburante permite un precio estable siempre que el impuesto estatal se mantenga, a la par que crea puestos de trabajo, reduce la factura del petróleo, ayuda a mitigar el efecto invernadero y previene el riesgo de incendios forestales.

Los impuestos en los carburantes Los estados, tradicionalmente han visto en el empleo de los carburantes un medio ideal para la recaudación de impuestos. En el caso de las gasolinas, los impuestos en España, superan el 50%,

mientras que en los gasóleos de automoción no llega a esta cifra. Como deja ver claro la Figura 21.1, el coste real de la gasolina, en septiembre de 2006, podría po-

304


Figura 21.1. Desglose del precio de los carburantes.

nerse en el mercado a unos 0,48 €/l, el resto son impuestos. Ello explica porqué en otros países, como EE UU, el precio puede ser tan bajo. A corto término, estando los rendimientos de los automóviles convencionales al límite, la única manera de ahorrar dinero va ligada a la reducción del consumo y por ello se han desarrollado nuevas tecnologías, como los vehículos híbridos. Con esta denominación se hace referencia a los vehículos que cuentan con más de una fuente de energía, en este caso motor eléctrico, además del de combustión interna. Los motores eléctricos, cuando hay uno por rueda tractora, ofrecen una mayor eficiencia en la transmisión de potencia del motor a las ruedas (~100% frente a 90%) y recuperan la energía de frenado en baterías (10% de ahorro), que en los convencionales se disipa y pierde. Los vehículos híbridos suelen ser más ligeros, de ruedas con menor rozamiento (más estrechas y duras) y más aerodinámicos. Actualmente existen modelos con motores térmicos con alternador para generar electricidad y baterías para aprovechar la energía de frenado. Algunos pueden arrancar y circular un poco solo con la batería (full hybrid)

y otros necesitan arrancar con el motor térmico. A velocidades elevadas, pendientes o aceleración siempre es necesario el motor térmico. Es una tecnología en desarrollo con continuos avances. En España, en 2006, la fiscalidad del automóvil reportó al Estado 22.180 millones de euros, donde algo más de la mitad lo constituye el impuesto especial sobre carburantes, para un parque de 34 millones de vehículos de todo tipo. La administración se halla atrapada en la disyuntiva de incrementar los impuestos (o mantenerlos) o bien disminuirlos a base de favorecer el empleo de biocarburantes. Una parte de los expertos echan por el camino de en medio basando o ligando el impuesto en relación a la emisión de CO2 por kilómetro recorrido. Así, la mejora de los diseños ha permitido reducir los consumos desde 1994 a 2004 de: • •

1994: gasolina 182 g CO2/km, diesel 175 g CO2/km, a 2004: gasolina 165 g CO2/km, diesel 152 g CO2/km.

Estos valores de ahorro del 10% en las gasolinas y del 15% en el caso del diesel han supuesto,


obviamente, una disminución muy importante en la emisión de CO2. Sin embargo, la UE propugna que la mejor vía de ahorro estriba en el uso de los biocarburantes. Las semillas para la fabricación del biodiesel proceden, básicamente, de Brasil y Argentina, lo que encarece la fabricación. Por esta razón el Estado se compromete a suprimir el impuesto especial sobre carburantes, al menos de momento, de forma que el biocarburante iguale el precio de venta del gasóleo en los surtidores que expendan biodiesel. En España en 2006 había unos 1.000 de estos surtidores. El incremento de los precios del petróleo unido a los problemas ambientales derivados de la emisión de los gases de efecto invernadero y del aumento global del número de vehículos, ha obligado a las autoridades ambientales a forzar a los fabricantes de automóviles a reducir los consumos energéticos basándose en logros técnicos, que se resumen en los siguientes valores: • • • • •

Vehículo de gasolina: emisión media 165 g CO2/km. Vehículo diesel: emisión media 152 g CO2/ km. Vehículo híbrido: emisión media 95 g CO2/ km. Vehículo de bioetanol: emisión media 60 g CO2/km. Vehículo de biodiesel: emisión media 40 g CO2/km.

Frente a estas emisiones es preciso hacer unas observaciones especialmente importantes desde la óptica ambiental. En los tres primeros casos hay que tener presente la emisión adicional de la extracción, transporte, refino y distribución del carburante, lo que en terminología inglesa se denomina well-towheel, es decir la emisión equivalente desde el pozo (well) hasta la rueda (wheel). Valorando estos conceptos, las emisiones reales deberían incrementarse en un 21%. Así pues, un vehículo moderno (de 2007) accionado a gasolina tendría una emisión de 200 g CO2/km. Es decir, un vehículo que recorra 10.000 km/año emitirá 2 toneladas de CO2 de origen fósil a la atmósfera al año. Mientras que un vehículo que funcione con etanol, a partir de caña de azúcar, emitirá tan solo 60 g CO2/km, el resto, hasta llegar a los 160 g CO2/

305

km (que es el consumo específico para este carburante), serán absorbidos por la planta. En teoría, si se lograra compensar toda la energía de la logística (cultivo, recolección, transporte, fabricación y distribución) a base de energía renovable, la emisión de CO2 sería nula. Admitiendo que la energía para su fabricación sea de origen fósil, un vehículo accionado con bioalcohol que recorra 10.000 km/año emitirá 0,6 toneladas de CO2 de origen fósil a la atmósfera. O sea, el ahorro neto, con respecto a la gasolina convencional, es de 1,4 toneladas de CO2 por vehículo y año. Como se ve el ahorro a escala mundial es importantísimo. No obstante, a medio plazo tampoco va a ser sostenible, por lo que la humanidad se verá abocada a la economía del hidrógeno. Siguiendo con el ejemplo anterior, un vehículo accionado con pila de hidrógeno, donde el hidrógeno se obtiene con energía renovable y la pila de combustible responde a la tecnología disponible en 2006, la logística antes citada supone un consumo de 30 g CO2/ km. Así pues, el vehículo accionado con pila de hidrógeno tan solo emitirá 0,3 toneladas de CO2 de origen fósil a la atmósfera. Por lo que hace referencia a la mejora del rendimiento de los consumos específicos en los vehículos accionados con motores de combustión interna, los especialistas prevén que a corto plazo, las reducciones de carburante serán proporcionales a: • • • • • •

40% como consecuencia de las mejoras en los sistemas de combustión. 24% por la aplicación de sistemas híbridos. 20% por la introducción de mecanismos de control avanzado de conducción. 7% debido a una mejor eficiencia de los neumáticos. 6% por la reducción del peso de los vehículos. 3% por la mejora de la aerodinámica.

Este ahorro energético deberá aplicarse tanto a los vehículos movidos por carburantes derivados del petróleo como a los accionados por biocarburantes. Además, desde el punto de vista ambiental, hay que valorar las importantes reducciones de contaminantes, al margen del CO2, que todo ello conlleva.

306


El automóvil del futuro a largo plazo El uso masivo de biocombustibles tiene también sus límites. Se considera que su introducción precederá a la del hidrógeno, el metanol y las pilas de combustible. Los motores de explosión, ya sean en la versión diesel, energéticamente más eficientes, o de ciclo Otto (gasolina), presentan unos rendimientos bajos (transforman la energía química en energía mecánica) y como el consumo de carburantes seguirá en aumento, puede convertir el sistema en inestable. Por ello es preciso un cambio de modelo en el propio vehículo. El futuro del automóvil mira hacia la pila de combustible, aunque de forma intermedia pasará por los híbridos y los eléctricos. Esta consiste en un sistema que transforma directamente el potencial químico en electricidad, por lo que su rendimiento es muy elevado. La Figura 21.2 muestra el principio de funcionamiento de una pila de combustible. Por el momento, ya existen vehículos accionados por pilas de combustible en fase experimental.

El problema actual es la obtención del hidrógeno a precio razonable, para ello es preciso recurrir a las energías renovables. No obstante hay otra vía que estriba en el empleo de pilas de metanol, ahora en fase muy experimental. El metanol, a diferencia del hidrógeno, es un líquido, lo que permitiría mantener la infraestructura de la gasolina y el depósito de combustible de los coches, si bien la concepción de la tracción de los mismos será completamente diferente: • • •

Coches completamente silenciosos (de hecho serán coches eléctricos). Automóviles no contaminantes. Lo único que emitirán será vapor de agua. Vehículos mucho más eficientes, lo que significa menos combustible.

En el mundo de la automoción, como en otros, la propaganda, los anuncios, las grandes ferias marcan una “doctrina” que parece indiscutible. Así, aspectos que los medios de difusión suelen comentar, en referencia a la automoción, son:

Figura 21.2. Principio de funcionamiento de una pila de combustible de hidrógeno.


Problemas de tráfico. Accidentes, aparcamiento, multas. Precio de los combustibles. Sobre todo lo que afecta a los impuestos. La espectacularidad de los salones del automóvil o las carreras de fórmula 1 o motos.

•

Por lo general nadie parece dispuesto a mirar estas preguntas en “negativo”:

•

• • •

•

•

¿El modelo de infraestructuras que tenemos es el adecuado? ¿Por qué no se fomenta más el transporte público? La tracción eléctrica no precisa de carburantes convencionales. ¿Por qué no se exige el impuesto de “Kyoto” a las gasolinas, si son el primer causante de los gases de efecto invernadero? ¿Qué pasaría con el precio de los carburantes si se les aplicara los derechos de emisión de CO2?

307

¿Por qué los estados, sin renunciar a los impuestos de hidrocarburos, no impulsan las políticas de promoción de los biocarburantes? ¿Estarán dispuestas las multinacionales del petróleo a mantener, que no a renunciar, a sus multimillonarios ingresos?. Partiendo de la base de que el peak oil se producirá en 15/20 años, ¿por qué nadie se atreve a decir cómo evolucionará el precio de los carburantes?

Los medios de difusión están llamados a tener un papel fundamental en la comunicación y educación ambiental de nuestra sociedad, para procurar que una herramienta tan necesaria como el coche pase de ser una amenaza a un bien de consumo cómodo y sostenible.

del transporte. Alternativas

22

LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN SON CONTAMINANTES E INEFICIENTES. LAS ALTERNATIVAS SE SITUAN EN LOS MOTORES ELÉCTRICOS Y EN LOS DE PILA DE COMBUSTIBLE. •

• • •

•

•

•

Los vehículos dotados de motores de explosión tienen un rendimiento efectivo entre el 10% y el 20%, según modelo y tipo de conducción. Es decir, valores muy bajos que conducen al conjunto a un escenario muy complicado. Es importante resaltar el beneficio del transporte colectivo y la importancia de la energía eléctrica en el transporte. El vehículo híbrido permite reducir de manera importante el consumo. El Prius es un híbrido diseñado para funcionar siempre con un consumo mínimo. El rendimiento de un coche ligero de gasolina, en ciudad, es del 9,4%, y uno diesel del 14,9%. Para un coche ligero eléctrico se alcanza el 18,6%, pero la generación de baterías actuales no garantiza una autonomía mayor de 150 km. El rendimiento de un coche ligero con motor de aire comprimido, en ciudad, es del 18,8%. Las dos últimas modalidades, el aire comprimido y la electricidad, obligan a un modelo de infraestructura de suministro de energía nuevo y complejo. En España existen, en 2009, cerca de 2.000 vehículos movidos con gas natural, principalmente autobuses y camiones de recogida de residuos urbanos y unos 200 vehículos ligeros, con unas cincuenta estaciones de servicio. Contaminan menos, pero tiene una pérdida del aprovechamiento energético respecto al gasóleo, en torno al 10%, a un menor coste económico. De cara a las dificultades que supone la implantación de un modelo nuevo de abastecimiento de energía, los expertos se inclinan por un sistema que arranque de los parámetros básicos actuales: carburante líquido y el mismo sistema de abastecimiento (infraestructura) que el actual. Por el momento un modelo alternativo sería la alimentación con etanol (líquido) y un reformado a bordo del vehículo para obtener el hidrógeno preciso en la pila de combustible.

Introducción Un motor térmico es un dispositivo capaz de transformar calor (energía térmica) en trabajo (energía mecánica) de modo continuo. Los motores de combustión interna son derrochadores, su

eficiencia térmica no puede aprovechar todo el calor generado por la combustión para transformarlo en fuerza motriz. En el mejor de los casos, alrededor del 30% de la energía calorífica que generan,

310


la transforman en movimiento y la otra parte la disipan (pérdida), hacia la atmósfera. De toda la energía introducida en el motor con el combustible solo una parte se transforma en energía mecánica, perdiéndose el resto en: • • •

Pérdidas de refrigeración: 25% de las camisas del motor. Pérdidas de gases de escape: 25%, que calientes se lanzan a la atmósfera. Pérdidas de la radiación calorífica: 1525%.

En el caso de la gasolina, la eficiencia de conversión del crudo de petróleo en gasolina es del 85%, mientras la conversión de energía (combustión) en mecánica supera escasamente el 20%. En otras palabras, y como muestra el esquema de la Figura 22.1, 100 unidades de energía (100 kJ) acaban con una energía mecánica de 17 kJ, que representa el 20% de los 85 kJ suministrados por el combustible. La eficiencia de los motores de combustión interna aún se considera mejorable en el estado actual de tecnología, pero con un importante límite termodinámico; por este motivo el hidrógeno y las pilas de combustible se perciben como una gran solución para el ahorro energético de este sector y, sobre todo, si el combustible proviene de fuentes renovables, para la reducción de emisiones contaminantes. Sin embargo, el motor de combustión interna seguirá sirviendo para los vehículos híbridos, así como para otros combustibles como el gas natural. Así es previsible que el motor de combustión interna reciba mejoras tecnológicas para hacer más

alta su competitividad medioambiental. Soluciones como la distribución de válvulas variable por gestión mecánica y electrónica, inyección directa de gasolina, HCCI, desconexión de cilindros, sistemas stopstart, el generador starter, compresión variable, turbo alimentación variable, nuevas transmisiones (CVT, DSG, AMT). Los motores de gasolina tenderán a ser más pequeños, turboalimentados y con tecnologías de gestión que permitirán una mayor eficiencia. Las tecnologías diesel tendrán una evolución paralela, aunque con unos desarrollos más caros que las tecnologías aplicadas a los motores de gasolina. Las mejoras introducidas en los motores diesel no irán fundamentalmente ligadas al proceso de combustión, sino a complejos tratamientos postcombustión. Aparte de que los automóviles terminarán por ser menos potentes, por no poder circular a altas velocidades, por su mejor aerodinámica, menor peso por mejores materiales y tamaño, neumáticos más eficientes, etc. Resulta irracional un sistema de transporte que para mover a una persona que pesa 70 kilos y ocupa en movimiento dos metros cuadrados, tenga que desplazar una “máquina” de 1.200 kilos, que requiere al desplazarse 30 metros cuadrados de calle. Además en el 90% de los casos los movimientos en automóvil en las ciudades sólo viaja una persona, se concluye que el derroche de espacio y energía que consume un automóvil es irracional y antieconómico. La reducción del tamaño conlleva la reducción del peso, y por tanto, del consumo de energía, y sobre todo, de ocupación de espacio. Sin embargo los departamentos de marketing del sector del automóvil aún hoy día detectan que la sociedad prefiere un coche de cierto tamaño. Así,

Figura 22.1. Rendimiento global de un motor de explosión para automoción.

La eficiencia energética del transporte. Alternativas

311

Figura 22.2. Consumo de energía no renovable en el uso y producción de vehículos con motor de combustión interna.

en los últimos quince años, el peso de los coches ha aumentado en un 18%. Creemos que en un futuro no lejano los minicoches y los microcoches con velocidades cada vez más controladas, posiblemente más bajas, en las grandes metrópolis, donde se concentrará la población, será una realidad que junto a un transporte público permitan reducir el consumo especifico por viajero-km. Los biocarburantes y la electricidad (a corto y medio plazo, respectivamente) se perfilan como

las únicas alternativas viables al actual dominio del petróleo. Más a largo plazo, y con necesidad de grandes inversiones, el hidrógeno deberá ser tenido en cuenta. Las Figuras 22.2 y 22.3 muestran una estimación realizada por el Instituto de Investigación Energética y Ambiental de Heidelberg (Institut für Energie und Umweltforschung, Heidelberg) del ciclo de vida de máquinas estacionarias o móviles de baja potencia, vehículos, asumiendo unas

Figura 22.3. Consumo de energía no renovable en el uso y producción de vehículos con pila de combustible.

312


pérdidas de combustible durante su transporte y su uso, y unos valores de peso de los materiales homogéneos que permite comparar motores con pila de combustible y motores de combustión interna, utilizando diferentes fuentes de extracción de los combustibles. Los gráficos indican el consumo energético total por kilómetro, expresado en MJ (megajoules), referido al PCS del combustible. El gráfico de la Figura 22.2 muestra, para los vehículos con motor de combustión interna, un consumo energético idéntico en la producción de los vehículos (0,45 MJ/km). Sin embargo, para los automóviles con pilas de combustible (Figura 22.3) el consumo en la manufactura es superior, casi el doble (0,75 MJ/km). Esto se debe a que la tecnología de la pila de combustible implica materiales y métodos de fabricación no solo de mayor coste económico sino también energético, frente a la optimización de los procesos de fabricación de vehículos convencionales. Este es uno de los factores de difícil evaluación en el futuro, entendiéndose que una generalización del uso de coches con pilas de combustible podría suponer una automatización de su fabricación y por tanto una optimización de su coste, tanto energético como económico, que disminuyera esta diferencia. El consumo de energía primaria no renovable no depende del tipo de propulsión sino de la fuente de extracción del combustible. Las mayores diferencias de consumo de energía no renovable en la distribución y consumo de combustible se dan

principalmente entre las diferentes fuentes de extracción del combustible. La generación de hidrógeno a partir de electricidad supone un gasto de energía mucho menor que la obtención mediante reformado de gas natural, independientemente de que el hidrógeno sea usado en un motor de combustión interna o en una pila de combustible. As, se observan costes energéticos similares entre la distribución y consumo de metanol o hidrógeno procedentes de energías renovables, tanto si el combustible se usa en un motor de combustión interna como en una pila de combustible. Las ligeras diferencias que se aprecian, en las que el consumo en pilas de combustible es siempre ligeramente menor, se deben a la mayor eficiencia energética de este sistema respecto a las máquinas de combustión interna. La demanda de energía para el transporte en el mundo oscila alrededor del 30% del total. De ella, a excepción de la electricidad empleada en trenes y transporte urbano, especialmente en áreas densamente pobladas como la UE o Japón, la materia prima se basa en gasolina, diesel y queroseno. El World Energy Council (WEC) ha pronosticado un aumento del 55% de la demanda para el transporte entre 1995 y 2020. Esto significa un aumento medio del 2,2% anual. Sin embargo los últimos indicadores parecen señalar que esta previsión va a ser ampliamente superada. Esta misma fuente distribuye el consumo en transporte, tal y como muestra la Figura 22.4.

Figura 22.4. Distribución de la demanda (%) de energía para el transporte (WEC, 1995).

313


* El transporte público colectivo es mucho más eficiente que el privado, ya que el consumo de energía por persona transportada es significativamente más reducido. Los modernos tranvías todavía son más eficientes que los autobuses impulsados por motores de explosión. Además de ser silenciosos, consumen, como indica la Tabla 22.1 (calculada sobre la base de un recorrido de diez kilómetros y teniendo en cuenta el mismo número de personas transportadas), un 30% menos de energía por pasajero transportado que un autobús urbano, si

se tiene en cuenta toda la cadena de producción, transformación y consumo de energía. Estos vehículos también disponen de un sistema de tracción que permite optimizar el consumo y aprovechar la energía que se genera en las frenadas. Tabla 22.1. Comparación de consumos de energía en medios de transporte. Medio de transporte

Consumo de energía (kWh)

Tranvía

360

Autobús

716

Automóvil

5.500

* + La alternativa de eficiencia energética para el transporte, en particular para vehículos ligeros, parece ser la pila de combustible. El problema estriba en el suministro de una fuente importante de energía renovable para la obtención del hidrógeno preciso para la pila de combustible. La comunidad científica internacional, a primeros de 2008, está bien dividida entre los que creen que esta ha de ser de origen nuclear o bien renovable, ambas no contribuyen a incrementar el efecto invernadero. La Figura 22.5 esquematiza lo expuesto. Los rendimientos energéticos de la cadena representada en la Figura 22.5 son: • • • •

sentido siempre y cuando la energía eléctrica provenga de fuentes de energía renovables. Dentro de los sistemas de producción de electricidad el más eficiente es el ciclo combinado, que tiene un rendimiento del 50%. En este caso la cadena energética antes mencionada tendría un ren-

Electrólisis del agua: 75%. Eficiencia de la compresión (a 350 bars): 90%. Rendimiento de la pila de combustible: 50%. Eficiencia total: 33,7%.

Comparado con un rendimiento de un motor de explosión de un 20/25% (como se ha visto anteriormente, la eficiencia en recorrido interurbano es del orden del 15%, mientras que los híbridos con pila de combustible son insensibles al recorrido, y por tanto con un rendimiento doble), la cadena energética con pila de combustible, con un rendimiento energético (mecánico) final de cerca del 34% tiene

Figura 22.5. Cadena energética para el transporte a medio plazo.

314


dimiento del 17%, claramente inferior al del motor de explosión. Usando la energía nuclear como fuente de abastecimiento eléctrico (rendimiento del 38%), la eficiencia de la cadena energética anterior empeora hasta el 13%, pero no se generan gases de efecto invernadero. La primera pregunta que asalta es: ¿Por qué hay que generar electricidad para producir hidrógeno que, a su vez, va a volver a producir electricidad para accionar el vehículo? La respuesta, hoy por hoy, es la autonomía. No hay baterías que garanticen una autonomía mayor de 150 km, aunque hay alguna excepción muy costosa, y además hay que contar con el tiempo de carga de la batería. En el momento en que la calidad de las baterías permita mayor autonomía, o al llegar a la estación de recarga se pueda cambiar la batería por otra de cargada, la situación será mucho más favorable al accionamiento directo eléctrico, ya que los consumos energéticos son más favorables, como se indica en la Tabla 22.2 y que se comentarán en el próximo apartado. Sin embargo el ahorro en energía primaria a que hace referencia la Tabla 22.2 solo será cierto si la electricidad procede de fuentes renovables. Respecto al desarrollo de los vehículos con pila de combustible, hoy día presentan el problema del almacenamiento y distribución de hidrógeno. Una alternativa lo constituirían los vehículos de pila de combustible con alimentación con etanol (líquido, que puede obtenerse a partir de biomasa lignocelulósica, que es un carburante de segunda generación) y un reformado a bordo del mismo vehículo para obtener el hidrógeno preciso en la pila de combustible. Japón fue el primer país en establecer un plan nacional para la utilización del hidrógeno y las pilas de combustible como base de un nuevo sistema energético, sin embargo fue el lanzamiento en

enero de 2003 de la “hydrogen fuel iniciative” por EE UU, con 1.200 millones de dólares, el punto de partida para el interés actual sobre el hidrógeno. El objetivo de esta iniciativa era acelerar el desarrollo de tecnologías capaces de producir, transportar, almacenar y utilizar el hidrógeno paralelamente al desarrollo de pilas de combustible para vehículos, de manera que en el año 2030 el hidrógeno pudiera ser competitivo en el sector del transporte. Larry Bursns vicepresidente de GM comentaba a finales de 2007: En el largo plazo la solución serán los vehículos con pila de combustible, pero a medio plazo, mientras la solución del hidrógeno no sea viable, los híbridos pueden ser la alternativa más limpia para el automóvil. Además añadía que el trabajo de puesta a punto de estos vehículos no había terminado, faltaba reducir el tamaño de la pila de combustible, aumentar la durabilidad de la membrana, para lograr una vida media de unos 240.000 kilómetros, que actúa de catalizador en la reacción, mejorar el rendimiento y aumentar la potencia de los motores y, sobre todo, reducir los costes de producción. Con la pila de combustible se obtendrán unas prestaciones similares a las de un coche actual, con mejores aceleraciones y una autonomía parecida a la de los coches actuales. Sin embargo vaticinaba, con una visión optimista, que solo a partir de 2015 se vería el auténtico potencial de los coches con pila de combustible. De 2010 a 2015, la primera generación de estos vehículos tendría que confirmar sus posibilidades para consolidarse en el mercado entre 2015 y 2020 con una segunda generación. La tercera generación que posiblemente llegaría a partir de 2020, debería ser la de la expansión y hasta entonces convivirán los coches de tecnologías actuales y con los híbridos, con los que también hay que seguir trabajando.

Tabla 22.2. Comparación de energía precisa para accionar durante un año un vehículo de explosión y uno eléctrico. ACCIONAMIENTO CON MOTOR DE EXPLOSIÓN Consumo medio de un vehículo (motor explosión)

0,08

l/km

Distancia recorrida anualmente

10.000

km

Energía (térmica) precisa anualmente

7.057

kWh/año

Rendimiento efectivo

20%

ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO Rendimiento del sistema de baterías

90%

Energía precisa anualmente

1.568

Ahorro en energía primaria (*)

78%

kWh/año

0,7057 kWh/km


315

Vehículos eléctricos híbridos Con el punto de partida de que el motor de combustión tiene una eficiencia limitada y en la creencia de que el futuro está en la pila de combustible, aunque con importantes problemas aún por resolver, hay que buscar otras alternativas, que a corto plazo parece que puede cubrir el motor eléctrico, sobre todo si la electricidad procede de fuentes renovables, e incluso si procede de generadores con combustibles fósiles. De cara al transporte las ventajas que proporciona la electricidad son evidentes: • • •

No contamina. La transmisión de potencia es muy suave y silenciosa. El motor eléctrico es reversible (puede actuar como alternador en bajadas y frenadas y almacena la energía producida).

El motor eléctrico, solo el motor, es cuatro veces más eficiente que el motor de combustión interna, y realizando un balance energético global del combustible, el coche eléctrico resulta ser algo más eficiente que los de combustión, como se muestra en el apartado “Resumen de rendimientos” de este mismo capítulo. Además su interés y eficiencia se multiplica cuando el combustible, la electricidad, puede ser de origen renovable. El vehículo eléctrico se alimenta de la electricidad almacenada en las baterías recargables, que permite su funcionamiento con cero emisiones en su punto de uso, aspecto muy importante en las grandes ciudades, y sin apenas ruido, excepto el producido por los neumáticos. El comportamiento del coche eléctrico es muy agradable, tiene una aceleración fulgurante, con un par motor elevado y constante desde muy bajas velocidades, y en general una elevada estabilidad por situarse la batería bajo el piso. La posibilidad de comprar un vehículo eléctrico en el mercado era prácticamente una fantasía hace dos o tres años, pero la inseguridad del abastecimiento del petróleo, con sus reservas limitadas, los altos precios y su sucesivo crecimiento y consecuencias sobre el déficit comercial y la inflación, los conflictos militares, emisiones de CO2,

contaminación atmosférica y el ruido y la crisis económica, han disparado los proyectos para su producción. En los salones del automóvil de Ginebra y Barcelona de 2009 las grandes marcas, más que mostrar sus prototipos eléctricos, han anunciado ya sus calendarios de lanzamiento. Mitsubishi, con el i-MiEV, algunos modelos de Nissan y el Ford Connect BEV empezarán a distribuirse en Europa en 2010, mientras que el Opel Ampera (supereléctrico) estará listo para venderse a finales de 2011. Renault tiene a punto una versión eléctrica del Kangoo, que se empezará a producir y a vender a gran escala en 2011, a la que le seguirá una versión eléctrica del Mégane. El Think, un coche eléctrico producido en Noruega, está previsto que se venda en España, unas 600 unidades, a partir de mediados de junio de 2009 para flotas y en 2010 a particulares. La clave del futuro del vehículo eléctrico es la batería recargable, su autonomía, el tiempo de recarga, la duración de la batería y su coste. La distancia que un vehículo eléctrico, híbrido o no, puede recorrer sin recargar, en los modelos actuales o de próxima fabricación, va de los 60 a los 250 km, o como caso especial a los 390 km del Tesla Roadster. Sin embargo hay que tener en cuenta que los 460 millones de ciudadanos de la Unión Europea, en 2007, realizan en promedio, tres desplazamientos diarios, que totalizan 27 km diarios. En EE UU el 80% de los desplazamientos diarios son inferiores a los 80 km, y más de la mitad son inferiores a 40 km. Los vehículos eléctricos, con todas sus limitaciones actuales, pueden satisfacer la inmensa mayoría de los requerimientos de movilidad. Es por esta razón que los impedimentos en realidad son más psicológicos que tecnológicos, y se superarán cuando la percepción del límite de 200 km de los vehículos eléctricos se vea contrarrestada por una mejora en el sistema de recarga, tanto en el tiempo empleado, en minutos y no en horas, como la ubicuidad de puntos de recarga. Pero tampoco se deben ignorar las dificultades. Los vehículos de gasolina y gasóleo gozan de una hegemonía absoluta desde hace un siglo debido

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a que superan a los vehículos eléctricos en tres cuestiones clave: mayor autonomía, el tiempo de recarga o de repostar y el coste del vehículo, este determinado por el elevado precio de la batería. Un hecho es incuestionable: la gasolina y el gasóleo proporcionan mayor densidad energética y flexibilidad que la más avanzada de las baterías: 13 kWh/kg (50 MJ/kg) o 8,9 kWh/l en la gasolina y 12,7 kWh/kg en el gasóleo, frente a los 0,16 kWh/kg (0,58 MJ/kg) de la última generación de baterías de iones litio. Ante la limitación de la autonomía las soluciones del coche eléctrico van desde el coche totalmente eléctrico con recarga rápida, aún no resuelto, o cambio de batería, a los híbridos enchufables o no, con dos motores, uno eléctrico y otro que hoy por hoy es el de combustión interna, aunque en un futuro hay otras posibilidades. El motor de combustión interna convencional permite una autonomía de más de 400 km, que en algunos modelos alcanza los 1.000 km, situación a la que se está habituado y se valora muy positivamente. Esta ventaja la aprovecha el motor de combustión interna del híbrido, pues cuando la batería ha gastado su potencial entra en funcionamiento el motor térmico que, con menor eficiencia, permite alargar la auto-

nomía del vehículo casi indefinidamente, al poder hacer rápidos repostajes en las muchísimas gasolineras. De híbridos hay dos tipos, los llamados enchufables y los que no, también llamados básicos. Los híbridos no enchufables o simplemente híbridos básicos son los que tienen un motor eléctrico y batería relativamente pequeños, con mucho menor coste, que aprovechan la energía de la frenada y solo utilizan el motor eléctrico cuando es necesaria muy poca potencia y en recorridos muy cortos, o cuando se necesita mucha potencia durante poco tiempo y entonces se acoplan ambos motores para dar la máxima potencia al vehículo (véase Figura 22.6). Los coches híbridos básicos ya hace unos pocos años que circulan por nuestras calles: Toyota ya ha vendido más de 1.848.000 unidades, y cuyo modelo más significativo es el Toyota Prius. Con ellos se cubren los principales inconvenientes del coche eléctrico, básicamente falta de autonomía, infraestructuras y el elevado precio de una gran batería. Actualmente existen varias marcas, Toyota, Mercedes Benz, Honda, Chysler, Dodge, Tata, Hyundai, Chevrolet, e incluso marcas españolas como Opel o Seat que comercializan o producirán muy pronto diversos modelos híbridos. Todos ellos con motor de gasolina, pero próximamente

Figura 22.6. Diferencias fundamentales entre vehículos con motor térmico, híbridos (enchufable y no enchufable) y eléctricos. Todos los vehículos con motor eléctrico tienen el sistema de frenado regenerativo, no indicado específicamente en la figura, aunque su efecto queda reflejado por la doble flecha entre las ruedas y el motor eléctrico. Este sistema permite recargar la batería durante el frenado y en ocasiones en pendientes descendentes.


aparecerán los híbridos con gasóleo, como el Peugeot 3008 hibryd en 2011, que a un motor diesel de 2.000 cc y 163 CV se adjunta otro motor eléctrico de 37 CV en las ruedas traseras, que aporta tracción 4x4, con un consumo de 3,8 l a los 100 km y 99 g/km de CO2. Dentro de los híbridos enchufables el motor eléctrico y la batería tienen una potencia y dimensión relativamente importantes, lo que permite una cierta autonomía funcionando inicialmente con solo el motor eléctrico de 10 a 15 km en los primeros híbridos enchufables, como el Toyota Prius Plung in, autonomía que irá creciendo al aumentar el tamaño de las baterías por la disminución de su coste. Casi toda la investigación sobre vehículos de tracción eléctrica, incluidos los híbridos, la han desarrollado las grandes marcas en colaboración con especialistas en motorización eléctrica. El motor eléctrico y la batería tienen unas características básicas que permiten una autonomía, como por ejemplo los 130 km del Mitsubishi i-MiEV o los 180 del Think, con velocidades de hasta 130 km/h. El ensamblaje del vehículo es parecido a uno de motor convencional, por esta razón parece que la producción de este nuevo tipo de vehículos afectará más a la industria de componentes, que deberá adaptarse a esta tecnología. El motor eléctrico es más sencillo, fácil y barato de mantener, aunque con mayor electrónica; desaparecen el carburador o sistema de inyección, el escape, los actuales sistemas de refrigeración, la actual caja de cambios que es sustituida por una marcha adelante y otra atrás, y también cambian los sistemas de frenado que llevan elementos para regenerar la batería en las frenadas. En general deberá ser un coche más ligero, con materiales más ligeros, que compensen el elevado peso de la batería, con optimización de los consumos de energía de los componentes eléctricos, como los elevalunas. La batería es el punto crítico de estos vehículos, en los que se busca la máxima energía específica por kilo, y cuyo know how está dominado por empresas japonesas, coreanas o estadounidenses. Las baterías empleadas son de ión litio o de otros materiales, aunque hay otras en desarrollo, como las baterías Zebra o de zinc-aire, además de los desarrollos de la nanotecnología. Un vehículo eléctrico consume de 0,12 a 0,30 kWh/km (0,43MJ/km a 1,1 MJ/km), por lo

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que para recorrer 100 km hace falta una batería con una capacidad de 12 a 30 kWh (43 a 108 MJ), dependiendo del modelo. Dentro de esta vorágine de combinaciones de motores también debe contabilizarse la solución dada en el Opel Ampera que aparecerá en el 2011, conocido como vehículo supereléctrico, en que la batería permite circular al vehículo los primeros 60 km, pero un pequeño motor de gasolina o diesel efectúa su recarga en marcha sin parar para permitir una mayor autonomía. Inicialmente los coches eléctricos, por su innovación y baja producción, serán caros: el Think, utilitario de dos o cuatro plazas, costará unos 32.000 €, aparte IVA, un Fiat 500 alrededor de los 49.000 €, el Connect eléctrico unos 40.000 €, mientras que el convencional estará sobre los 16.000 €. Auque este precio se amortiza en parte por el menor coste de la energía que consume, alrededor de de 1 a 1,5 € los 100 km frente a los 6 a 8 € de un vehículo similar de gasolina. Por ello se espera un bajo nivel de ventas hasta 2011, alrededor de 2.000 vehículos en el bienio 2009-2010, a pesar de las importantes ayudas de la administración en estos coches, lo que no evita que un eléctrico sea varias veces más caro que su versión en gasolina. Otra manera de ver la situación es comprender lo que representa económicamente el coche eléctrico para un comprador. Un coche medio europeo cuesta unos 12.000 € y en sus diez años de vida consume unos 12.000 l de combustible (a 15.000 km/año y 8 l los 100 km), que costarían de 13.000 a 14.000 € y con tendencia creciente. El combustible cuesta poco más que el vehículo. En el supuesto de que el coste del coche eléctrico fuera de unos 24.000 €, de los que la mitad correspondieran a la batería (el coche eléctrico con su motor eléctrico, y sin batería, tendría el coste de 12.000 €, valor semejante a un coche convencional, lo que puede considerarse bastante plausible). Sin embargo el coste de la electricidad consumida por el coche eléctrico en los diez años de vida ascendería a sólo 1.500-2.300 €. La suma del coste del coche más el combustible consumido y teniendo en cuenta además que el mantenimiento de un coche eléctrico es menor que el del coche de gasolina o gasóleo resultaría una situación bastante igualada entre los dos tipos de vehículo. Sin embargo, como se ha in-

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dicado anteriormente, el coste del automóvil eléctrico hoy en día está muy por encima de los 24.000 €, por lo que los coches eléctricos en los años de su lanzamiento requerirán una ayuda de la Administración para que sea interesante su compra. Pero en un futuro inmediato, cuando haya una economía de escala tanto para la producción del coche eléctrico como sobre todo de las baterías, en las cuales además habrá un avance tecnológico importante, permitirá una situación en que los coches eléctricos sean competitivos también económicamente respecto a los de motor de combustión. Para ayudar a resolver el actual hándicap económico de los coches eléctricos en España, hay un primer plan de ayuda: el Plan Movele (de movilidad eléctrica), que cuenta inicialmente con 10 M€. Este prevé que las primera unidades formen parte de flotas de ayuntamientos, empresas comerciales, policías locales, y para 2010 se empiecen ya a comercializar vehículos para particulares que puedan instalar un poste de recarga en un chalet o el garaje del edificio. El citado plan ha seleccionado tres ayuntamientos, Madrid, Barcelona y Sevilla, para instalar 280, 191 y 75 postes de recarga. Con posterioridad, este tipo de postes podrán instalarse en aparcamientos de empresas, hipermercados, etc. Dentro de este plan, en este mes de julio de 2009, el Gobierno ha aprobado una ayuda directa de hasta los 7.000 € por vehículo, con el fin de alcanzar 2.000 vehículos en dos años. Esta directriz alcanza también a autobuses y camiones, con ayudas de hasta los 20.000 €, y a motocicletas con 750 €. El Plan Movele no es más que una hoja de ruta sobre los tiempos y los estándares, realizado sobre la base de una previsión de un millón de coches eléctricos para 2014, valor que se ha considerado extremadamente optimista dentro del sector. Muchos otros países, Israel, Dinamarca, Portugal, Irlanda, Australia, Nueva Zelanda, Canadá y Francia ya han presentado sus planes para la introducción del coche eléctrico, además de existir un programa piloto en Alemania, Japón y varios estados de EE UU. Así, las primeras 1.400 unidades de i-MiEV de Mitsubishi están destinadas a administraciones y ayuntamientos nipones. Según la revista World Watch Francia ha adquirido 10.000 vehículos eléctricos, y recientemente, octubre de 2009, Francia ha propuesto una ayuda de 5.000 € para cada uno de los primeros 100.000 vehículos eléctricos, así

como destinar 900 M€ para la instalación de puntos de recarga, con la previsión de dos millones de vehículos en 2020. En Estados Unidos la administración del presidente Obama también va a promover el automóvil eléctrico y los híbridos conectados a la red: acaba de aprobar 8.000 millones de dólares en préstamos a la industria para el desarrollo del coche eléctrico, y prevé un millón de vehículos eléctricos para antes del 2015. Por carecer de la clásica infraestructura de transporte basada en los hidrocarburos, se piensa que serán China e India los países que acometan una profunda electrificación del transporte, en el clásico salto tecnológico, muy similar al de los países en desarrollo que se han pasado a la telefonía móvil sin pasar por la telefonía fija. Además, China es el mayor fabricante de baterías de litio y cuenta con BYD Motors y otras empresas punteras en el desarrollo de los vehículos eléctricos, al igual que India con Reva y Tata, y en ambos países se espera un enorme crecimiento del parque de vehículos paralelo al surgimiento de una nueva clase media que, por primera vez, accederá a la motorización. Respecto al mayor problema de los coches eléctricos, la autonomía, se debe comentar que en la última década se ha asistido a una mejora de las baterías, reduciendo su coste y permitiendo más ciclos de carga, con una mayor capacidad de almacenamiento por unidad de peso y volumen; se ha eliminado el efecto memoria y ha aumentado su duración. Las más utilizadas son las baterías de ión litio, que han mejorado en capacidad y han permitido una mayor autonomía de los vehículos, pero aún son excesivamente costosas, se recalientan y, sobre todo, existe un debate no resuelto sobre si hay recursos suficientes de litio para fabricar las baterías que requerirán los millones de nuevos automóviles eléctricos. El precio de la tonelada de litio pasó de costar 350 $ en 2003 a 3.000 $ en 2008. Sin embargo hay una seguridad de que la mejoría tecnológica va a continuar y va a reducir los costes. Respecto al problema de la recarga de las baterías las perspectivas son buenas. Así el Nissan Leaf, que se comercializará en todo el mundo a finales de 2010, juega con la rapidez de recarga de la batería, pues con corriente trifásica puede recargar el 80% de su capacidad en 25 minutos, aunque a través de la red normal requiere de unas ocho ho-


ras. Las baterías se pueden recargar en horas valle, que con las plausibles nuevas tarifas horarias, resultaría favorable. En efecto, la electrificación del transporte, al menos en los primeros años, apenas repercutirá en las infraestructuras de las empresas eléctricas y en las redes regionales de distribución de electricidad. De esta manera, si la mayoría de vehículos se recargan en horas valle no habría que instalar ninguna capacidad de generación adicional. El consumo eléctrico por supuesto aumentaría, pero hay que tener en cuenta que el parque de generación y la red eléctrica están preparados para cubrir la demanda en horas punta (habitualmente durante el día), y una gran parte permanece parado y a la espera durante las horas valle, en general por la noche, que es cuando la mayoría de vehículos están aparcados y dispuestos para la recarga. Un parque de un millón de vehículos eléctricos (en España el parque superaba ligeramente los 28.000.000 de vehículos en 2007) que recorriesen 15.000 km al año consumirían cerca de 2,5 TWh/ año si se considera un consumo de 0,16 kWh/km (0,58 MJ/km), cifra algo superior al de los modelos en desarrollo, y si fueran híbridos enchufables que recorriesen el 50% con electricidad de la red y el otro 50% con gasolina o gasóleo, el consumo ascendería a 1,25 TWh. A título de comparación, la demanda de electricidad en España en 2007 ascendió a 289 TWh, con 27 TWh de la eólica. El consumo del millón de vehículos eléctricos en España sería algo más del 9% de la generación eólica de 2007 y menos del 1% de la demanda eléctrica total. Por tanto la red de distribución eléctrica existe, a diferencia de la del hidrógeno, y la infraestructura básica podría construirse en poco tiempo y sin grandes dificultades. El sistema de recarga de las baterías a la red propuesto es el más plausible, y en esta base se está estructurando en España. Sin embargo no es la única de las opciones posibles. Últimamente se está hablando mucho de la solución de Better Place, una empresa de EE UU que ha optado por otra solución que tiene especial interés para cubrir los grandes desplazamientos de los vehículos: la sustitución de baterías de forma robotizada en un minuto en las “electrolineras”. En esta alternativa, incluso habría la opción de que los coches podrían venderse sin batería, lo que permitiría reducir su precio, pues la batería vale tanto o más que el co-

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che, y su coste y recarga se diseminaría a lo largo de la vida útil del coche. El consumidor pagaría por kilómetro recorrido, parecido al modelo de la telefonía móvil. Better Place ha situado su laboratorio de prueba en Israel, país que desea reducir drásticamente las importaciones de petróleo, y en que las distancias entre núcleos urbanos difícilmente superan los 150 km. Un coche eléctrico pionero y muy especial que está ya en el mercado es el Tesla Roadster (Figura 22.7). A inicios de 2009 había en la calle unas 250 unidades, con una pequeña producción de Tesla Motors, en Silicon Valley, de veinte unidades a la semana. Tesla Motors, con 330 empleados, coopera con la pequeña firma automovilística británica Lotus para producir el chasis. Los paneles de la carrocería son de fibra de carbono y proceden de Francia, mientras que las células de la batería son de Japón. El Tesla, al ser un deportivo, puede venderse a un precio muy alto, 109.000 $, lo que permite absorber el coste de los 30.000 $ de su particular batería. Esta pesa unos 450 kilos, y en vista a su fiabilidad, en vez de crear un batería nueva, se optó por la asociación de baterías de iones de litio que usan los ordenadores portátiles. El Roadster está propulsado por el equivalente a casi 7.000 baterías de ordenador. Los ingenieros de Tesla han patentado el sistema de conectarlas entre sí y de refrigerarlas para aprovechar su enorme energía agregada sin que se incendien o exploten. El resultado es que el coche puede alcanzar los 200 km/h, y los 100 km/h en 3,9 segundos, con una autonomía combinada carretera-ciudad de 390 km, con una estimación de una duración de la batería de 160.000 km.

Figura 22.7. Coche eléctrico Tesla Roadster, deportivo de altas prestaciones y una autonomía de 390 km.

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El transporte de mercancías, sobre todo en España, se realiza casi totalmente mediante camiones y camionetas que totalizan un importantísimo consumo de productos petrolíferos, totalizando un consumo de alrededor del 80% del de pasajeros en automóvil. La mejora del motor de combustión de los camiones y autobuses sigue el mismo camino que el del automóvil de gasóleo, pero a la vez también se está iniciando la incorporación de la tecnología hibrida. Volvo, dedicada a la producción de vehículos comerciales pesados, anunció que en Otoño de 2009 empezaban a operar en el servicio de recogida de basuras de Londres y París con varios Volvo FE híbridos. Estos camiones están equipados con un motor diesel de seis cilindros en línea y llevan integrados un motor eléctrico que funciona a bajas velocidades, como apoyo del propulsor principal. También pueden funcionar de manera completamente independiente según los requisitos de la situación. Volvo afirma que consigue una reducción efectiva de emisiones de CO2 entre un 15 y un 20% en comparación con un modelo similar no híbrido. Para hacerse una idea del importante avance que esta tecnología supone, se debe tener en cuenta que el consumo de gasóleo de un camión de la basura se cifra en unos 40 l/100 km, cifra enormemente alta que puede reducirse hasta unos 25 l/100 km con el sistema híbrido, lo que representa una mejora de un 37%. En esta misma dirección se mueve la firma japonesa Fuso, departamento de camiones de Mitsubishi, que ha presentado un camión hibrido que ofrece la conjunción de un motor diesel de tres litros con un motor eléctrico de 35 kW en configuración paralela. Cualquiera de los dos motores puede impulsar al vehículo en cualquier momento, mientras que en las operaciones de carga y descarga el motor eléctrico se ocupa de dar movimiento a la caja de carga mediante su batería de litio. Este sistema híbrido no es una prueba, ya que se usa en el Mitsubishi Canter Eco, desde julio del 2008. Es bien probable que los camiones del futuro próximo se parezcan a todo menos a un camión. Los prototipos que presentan diseñadores y marcas del sector muestran una línea estilizada, sin esquinas ni bordes, con la apariencia de un moderno tren de alta velocidad. Parece ser que en el transporte a grandes distancias pueden existir grandes camiones de gran capacidad de carga, con trailer y remolque, con ruedas traseras directrices, que

permitan reducir aún más el consumo por tonelada-km. Por lo pronto, hay marcas que seguirán trabajando con motores de diesel, que conjugarán más con sistemas electrónicos y que emitan menos residuos contaminantes. Lo que se puede concluir de un artículo publicado en la revista alemana Scala, en el cual se hace un recorrido por dos de las compañías de ese país, Mercedes Benz y Man, es que se está experimentando con avanzados prototipos de vehículos para transporte de carga. En estos se combinan elementos tecnológicos ya existentes con otros en fase de desarrollo: el reciclaje del material empleado, medidas aerodinámicas, la simplificación del manejo de los cambios de marcha, gracias a sistemas electrónicos-neumáticos que ahorran carburante y la amortiguación de ruidos. Respecto a los motores, Mercedes Benz han experimentado con combustibles basados en aceite de colza, alcohol, gas natural o hidrógeno, sin embargo el motor diesel seguirá como protagonista en el futuro próximo, por lo que se perfecciona cada día más. Este continuará por lo general de seis u ocho cilindros con turbocompresor y refrigeración de carga por aire, pero trabajarán con un nuevo procedimiento de combustión que garantiza un mejor aprovechamiento del carburante, que disminuirá el consumo y también la emisión de residuos. Uno de los principales inconvenientes para iniciar la producción en serie de este camión ha sido el filtro de partículas que almacena las partículas de hollín originadas por la combustión del gasóleo, para proceder después a su carburación mediante un quemador especial. Mientras MAN está trabajando con un modelo accionado por gas natural para el tráfico urbano, con una potencia de 230 caballos mediante un motor de seis cilindros, con 1.900 centímetros cúbicos y encendido externo, pero se encuentra con el problema del peso y volumen de los depósitos de gas. Como síntesis, a finales del siglo XIX la lámpara eléctrica de Edison sustituyó a las lámparas de queroseno en la iluminación, en el XX las máquinas de vapor del tren se han sustituido, primero por el motor de combustión y después, en gran parte, por las eléctricas, y en las próximas décadas se puede asistir a un proceso similar en la electrificación del transporte por carretera. Sin embargo, no se prevé la desaparición a medio plazo del coche convencional, al contrario,


seguirán conviviendo durante bastantes años con los motores eléctricos y con los híbridos, y más adelante aparecerán los propulsados por pila de hidrógeno.

COCHES ELÉCTRICOS, GENERACIÓN EÓLICA Y LA V2G La existencia de un importante parque de coches que utilicen la energía eléctrica, híbridos enchufables y eléctricos, tiene además una doble importancia: la posibilidad de aumentar el parque eólico y la aplicación de la tecnología V2G sobre el almacenamiento de energía en las baterías de los vehículos híbridos y eléctricos. La V2G corresponde a las siglas inglesas de “Vehicle-to-Grid” (del vehículo a la red), y es la tecnología que permite el almacenamiento en las horas valle y la recuperación de la electricidad en las horas punta desde las baterías de los vehículos eléctricos a la red. La tecnología V2G permite cargar las baterías durante las horas valle, cuando el kWh es más barato, y venderlo a la red en horas punta, cuando el kWh es más caro. Con la V2G todos ganan: los propietarios de los vehículos, las empresas eléctricas, la sociedad y el planeta, aunque para ello se requiere crear toda una infraestructura hoy inexistente y por tanto potencia la

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electrificación del transporte en la que se generan grandes beneficios para todos. La Figura 22.8 muestra los objetivos para la energía eólica en España, según el plan de energías renovables 2005-2010 y la previsión para 2020. Para garantizar la viabilidad económica de las correspondientes inversiones resulta fundamental que los parques eólicos produzcan electricidad el máximo número de horas posible, y como mínimo exige que los 40.000 MW instalados de la previsión del 2020 deberían generar alrededor de 86.000 GWh/ año. Para conseguir esta cantidad y maximizar la producción de los parques eólicos, es importante evitar los recortes de producción tipificados en cualquiera de los cuatro tipos: saturación de redes, riesgos de inestabilidad transitoria, inhabilidad de los parques para activar las protecciones por límites en la potencia de cortocircuito y energía no despachable por baja demanda. De momento, la causa más importante de estos recortes es precisamente, el riesgo de estabilidad de la red (en 2008 se produjeron casi una decena de recortes generales que supusieron una pérdida de unos seis millones de euros por lucro cesante, y algunos más producidos por las redes de distribución), aunque en el futuro, una vez que los parques eólicos se adapten a los huecos de tensión, el mayor riesgo de recorte vendrá por la

Figura 22.8. Objetivos de la energía eólica en España 2020.

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electricidad eólica que no puede colocarse por baja demanda. Este problema de la electricidad no evacuable, será más importante a medida que se incremente el peso de la energía eólica en la cobertura de la demanda, que deberá alcanzar el 36% en el 2020 para una demanda prevista de 250 TWh, frente al actual del 11%. Para evitarlo, se han propuesto diversas soluciones como son una mayor conexión con Francia y, especialmente, incrementar el bombeo nocturno, pero actualmente entra en escena las grandes posibilidades de la recarga de las baterías de los coches eléctricos precisamente en las horas de baja demanda, aplanando de una forma importante la curva de demanda eléctrica. En cualquier caso, es importante tener en cuenta, que el incremento de la demanda con vehículos eléctricos obligará a una mayor contribución por parte de las renovables, lo que una vez más redunda en la necesidad de dotar de una mayor flexibilidad a la operación del sistema con esta y otras soluciones. Sobre la conexión con Francia, se va a realizar un incremento de la potencia para llegar a tener unos 4.000 MW, lo cual supondría una garantía adicional de venta de los excedentes de generación eléctrica eólica, que deberá competir con otras fuentes de generación, como la nuclear, de costes variables y de oportunidad muy bajos. La experiencia de los intercambios de Alemania con sus vecinos demuestra la importancia de la puesta en marcha de mecanismos de mercado, que eviten

los vertidos de fuentes de energía primaria de coste nulo, como es el caso del viento. Por lo que respecta al bombeo, para el que están previstos 3.000 nuevos MW, algunos ya en construcción o repotenciación, el problema es que existen en la actualidad pocos emplazamientos en nuestro país, con las condiciones orográficas adecuadas y, en principio, se considera difícil alcanzar la cifra mencionada. El operador del sistema (OS) ha realizado estudios de penetración eólica que demuestran que, en principio, no sólo los 40.000 MW antes mencionados, sino hasta los 44.000 MW propuestos por las CC AA, son asumibles por el sistema, aunque sujetos a potenciales recortes. Es en este contexto futuro donde se muestra la importancia de los vehículos eléctricos, que deben permitir inicialmente incorporar nuevas cargas en horas de baja demanda, habitualmente entre las 0 h y las 8 h, y posteriormente, modular cargas en diferentes periodos, por ejemplo entre las 16 h y las 19 h. Por tanto, se presenta un reto, desde el punto de vista tecnológico, que representa una oportunidad para alcanzar el objetivo que se estaba persiguiendo: electricidad renovable para los automóviles. Por tanto, cabe esperar que el sistema de recarga de baterías sea un complejo sistema programado y personalizado a nivel global que permita expandir el sistema eólico y al mismo tiempo optimizar el sistema de generación y distribución eléctrico.

Funcionamiento del motor híbrido básico Se trata de combinar la autonomía de un motor de explosión con las ventajas de un motor eléctrico. Este es el fundamento de los coches denominados híbridos. La hibridación toma forma en 1997, cuando Toyota lanza al mercado su modelo Prius, si bien llega a Europa a partir de 2003. En el vehículo híbrido la cantidad de energía eléctrica almacenada es muy baja, equivale a medio litro de gasolina, pero la utilización temporal de esta, en un sentido u otro, permite reducir significativamente el consumo y la contaminación, al optimizar el funcionamiento del motor térmico y recuperar la energía normalmente desperdiciada en los automóviles convencionales (en la frenada principalmente).

Un coche híbrido utiliza más de una fuente de energía, es decir, un motor de combustión interna y un motor eléctrico. Los vehículos híbridos se clasifican en dos tipos: paralelo, tanto el motor térmico como el eléctrico pueden hacer girar las ruedas; y serie, el motor térmico genera electricidad y la tracción la proporciona solo el motor eléctrico. El citado Prius de Toyota combina ambos sistemas para maximizar sus ventajas. En el caso de híbridos gasolina-eléctricos, cuando el motor de combustión interna funciona, lo hace con su máxima eficiencia. Si se genera más energía de la necesaria, el motor eléctrico se usa como generador y carga las baterías del sistema.

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En otras situaciones, solo el motor eléctrico funciona al alimentarse de la energía almacenada en la batería. Ambos entran en funcionamiento automáticamente según la velocidad y potencia requerida. En el Prius el motor térmico funciona con gasolina, pero no obedece a la definición habitual de “motor a gasolina”, tal como estableció August Otto, sino que utiliza un ciclo termodinámico particular, debido inicialmente al inglés Atkinson, cuya realización práctica fue puesta a punto por el americano Millar en los años 1940. El ciclo Millar, también denominado “ciclo de cinco tiempos”, permite obtener un rendimiento termodinámico superior al de los motores de gasolina habituales, al desacoplar los valores del índice de compresión

y del índice de expansión. La contrapartida es una potencia específica débil (57 kW para una cilindrada de 1.500 cm3) pero que es compensada por el complemento esporádico de potencia eléctrica. Las situaciones de conducción pueden clasificarse en tres categorías: •

•

Con débil demanda de energía, la propulsión se efectúa exclusivamente por medios eléctricos (mientras no se agote la reserva de la batería) estando el motor térmico parado. A potencia media, que incluye la velocidad de crucero en carretera y autopista. En este caso, la potencia la suministra la combustión de la gasolina, pero la parte eléctrica del sistema (compuesta en la práctica por dos motores/generadores) no está inactiva,

Tabla 22.3. Características comparadas de un vehículo híbrido y otro convencional de similares prestaciones (Extraídos catalogo Toyota). Característica

Híbrido (Prius)

Convencional (Avensis)

Motor de gasolina Cilindrada (cm3)

1.497

1.794

Relación de compresión

13,0:1

10,0:1

Potencia máxima (CV/rpm)

78 (57 kW)/5.000

129 (95 kW)/6.000

Par máximo (N·m/rpm)

115/4.000

170/4.200

Velocidad máxima (km/h)

170

200

Aceleración 0-100 km/h (s)

10,9

10,3

Coeficiente aerodinámico

0,26

0,28

Tensión nominal (V)

500

-

Potencia máxima (CV/rpm)

68 (50 kW)/1.200-1.540

-

400/0-1.200

-

Motor eléctrico


Batería híbrida Ni-metal hidruro Tensión nominal (V)

201,6

Capacidad (Ah)

6,5 (3h)

Peso (kg)

39

-

Rendimiento HSD (híbrido) Potencia máxima (CV/rpm)

111 (82 kW)/ desde 85 km/h


478/ hasta 22 km/h

Consumo combinado (l/100 km)

4,3

7,2

Consumo urbano (l/100 km)

5,0

9,4

Datos ambientales

Emisión CO2 combinado (g CO2/km)

104

171

Emisión CO2 urbano (g CO2/km)

115

223

CO (g/km)

0,18

0,48

Hidrocarburos (g/km)

0,02

0,03

NOx (g/km)

-

0,05

Partículas (g/km)

-

-

Ruido dB(A)

69

73

324

•


ya que adopta el cometido de transmisión electromecánica de variación continua de la velocidad. A potencia elevada (aceleraciones intensas, subidas de pendientes) el motor eléctrico refuerza el térmico. Esta situación no puede prolongarse en el tiempo ya que las baterías se agotarían. La velocidad máxima del vehículo, limitada electrónicamente, corresponde precisamente a la que es capaz de mantener en llano solo con la potencia del motor térmico.

La Tabla 22.3 muestra la comparación entre las características de dos vehículos, de la casa Toyota, de prestaciones similares. De la tabla vale la pena hacer unas observaciones: •

Los dos coches comparados tienen prestaciones y precios similares. Para un ciudadano que recorra 10.000 km al año, el ahorro en combustible, a precio de 2008, supone unos 350 €/año. Es decir, para estimular la venta de coches de este tipo será necesario tomar otras medidas, como el recargo

•

por emisión de CO2. El modelo de gasolina, para el mismo recorrido, emitirá 1.080 kg CO2 más a la atmósfera que el Prius. Las emisiones de contaminantes son importantes en todos los casos, en particular el monóxido de carbono, lo que indica que si bien el coche híbrido se comporta ambientalmente mejor, a medio plazo la solución deberán ser las pilas de combustible.

5 8 tipo de coches

Una de las características del motor eléctrico es que funciona en el arranque, momento en el que se consume más gasolina. Cuando las baterías del motor eléctrico se agotan o es necesaria mayor potencia, entra en funcionamiento el motor convencional. Sin embargo son muchas más las ventajas de estos coches: •

Ahorro energético, debido a que los picos de potencia los proporciona el motor eléctrico. La eficiencia del combustible se incrementa notablemente y también recupera energía en las deceleraciones.

Figura 22.9. Principio de funcionamiento de un vehículo híbrido.


• • • •

• •

•

Menor emisión de contaminantes atmosféricos que un motor convencional. Menor contaminación acústica que un motor convencional. Mayor autonomía que un motor eléctrico. Pueden repostar en cualquier gasolinera. En recorridos cortos no se utiliza el motor convencional, por lo que este no trabaja en frío y mejora su envejecimiento. Mayor suavidad y facilidad de uso que un motor convencional. Especialmente eficaz en tráfico urbano, donde los motores térmicos son muy ineficientes (en esta circunstancia un Prius viene a consumir unos 5 litros/100 km). La potencia eléctrica extra también sirve para poder usar, por ejemplo, el aire acondicionado con el motor térmico parado.

Aunque también tienen algunas desventajas: •

• •

Mayor peso que un coche convencional (debido sobre todo al peso de las baterías), aunque pesa menos que un coche eléctrico. Existe más posibilidad de averías, por el simple hecho de tener dos motores. Los vehículos híbridos son más caros que los convencionales.

El Prius es un vehículo diseñado para que siempre circule con un consumo mínimo. La Figura 22.9 muestra el principio de funcionamiento de un vehículo híbrido.

325

MOTOR HÍBRIDO DE COMBUSTIÓN Y VAPOR El concepto de motor híbrido gasolina/vapor difiere bastante de las combinaciones híbridas habituales que suelen ser gasolina/eléctrico, aunque sería aplicable también a estos. En un motor de gasolina normal (incluyendo el que llevan los coches híbridos gasolina/eléctricos) se quema una mezcla de aire y combustible. Al prenderse la mezcla (por acción de la bujía en los motores de gasolina o por compresión en los motores diesel) la expansión de los gases producidos impulsa el pistón a lo largo del cilindro para mover el cigüeñal. En el motor híbrido gasolina/vapor el funcionamiento básico es el mismo, aunque con una variación: en una primera carrera el pistón es impulsado por los gases en expansión originados por la combustión del combustible. Esta ignición calienta la temperatura de la cámara de combustión hasta los 800 ºC, que se aprovecha en un nuevo ciclo de expansión en el que se inyecta agua a presión en la cámara de combustión: el agua se vaporiza al instante incrementando su volumen unas 1.600 veces y empujando de nuevo el pistón, elemento que vuelve a realizar su carrera por el cilindro sin haber quemado una gota de combustible. Para el siguiente ciclo (en tanto el agua ha enfriado la temperatura del cilindro) volverá a inyectarse combustible y así sucesivamente. En este tipo de motor híbrido ha estado interesado un importante fabricante alemán de automóviles.

Vehículos a gas natural La utilización del gas natural como carburante no es una novedad. Países como Argentina, Brasil, Pakistán, Italia, India, EE UU o China disponen de grandes flotas con este combustible, respectivamente, en 2005 con 1.300.000, 800.000, 500.000, 400.000, 230.000, 130.000 y 90.000 vehículos. El avance no ha sido homogéneo en el mundo, siendo Italia, EE UU y Argentina los líderes en el desarrollo de esta tecnología. Italia, con una de las mayores flotas del mundo y más de 50 años de experiencia, es el pionero en Europa. Los principales países europeos, Alemania, Francia y el Reino Unido, con cantidades muy inferiores de vehículos

con gas natural vehicular (GNV), han diseñado para el futuro programas específicos para el desarrollo de este sector. De las alternativas energéticas de sustitución de los combustibles convencionales en el transporte, el gas natural es el carburante que presenta, a corto e incluso a medio plazo, una mejor viabilidad técnico-económica por su facilidad de incorporación en el vehículo. Aunque hay modelos preparados específicamente para utilizar el GN, la mayoría, como Volvo, Citroën, Fiat, Ford, Mercedes Benz, Opel, Peugeot, Lancia, Dacia, Piaggio y Chevrolet cuentan con modelos que incorporan el uso de

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GNV con motores bi-fuel adaptados para utilizar gasolina y GNV indistintamente. También es factible, y por un coste entre mil y dos mil euros, convertir un vehículo de gasolina en uno que pueda utilizar GNV. Además la conversión es compatible con utilizar indistintamente gasolina y GNV, simplemente basta pulsar un botón incluso en marcha. Por tanto funciona como un sistema de alimentación híbrido: cuando se ha terminado el GNV, el más económico y menos contaminante, se puede continuar con el de gasolina. El punto de repostaje del GNV, estación de recarga, sí es específico y su cantidad es clave para la propia expansión del GNV. En datos de 2005, los países con mayor número de instalaciones eran Argentina y EE UU, con unos 1.300, y unas 500 en Italia y Alemania. En España existen, en 2009, cerca de 2.000 vehículos movidos con GNV, principalmente autobuses y camiones de recogida de residuos urbanos, y unos 200 vehículos ligeros, con unas cincuenta estaciones de servicio. Precisamente cuando se está realizando la revisión de este libro en octubre de 2009, la compañía Gas Natural ha presentado su plan de expansión en el Congreso GNV que se celebra en Madrid, en el que, por ejemplo, se ha comentado que la totalidad de la flota de recogida de basuras de esta ciudad, formada por más de 500 vehículos, opera con gas natural desde hace años. En realidad Gas Natural ha apostado siempre por la implantación del GNV, y persigue, en línea con los objetivos de la Unión Europea, que la sustitución de combustibles por GNV alcance el 10% en 2020. Los vehículos con gas natural, al igual que con otros combustible “no convencionales” como el eléctrico, tiene el problema del círculo vicioso de que no hay vehículos con GNV porque no hay estaciones de servicio y estas no existen ya que no hay vehículos. Por esto Gas Natural se lanzó a crear una red de estaciones de servicio. A finales de 2007 estaba negociando un acuerdo con empresas gasolineras para instalar surtidores de gas natural comprimido (GNC) e incentivar en toda España la utilización de este combustible para vehículos de servicios públicos. En estas mismas fechas Gas Natural firmaba un acuerdo con la flota de taxis municipales de Madrid para la introducción del GNV. Durante doce meses se rea-

lizaría una prueba piloto con diez vehículos con GNV, suministrando sin coste el combustible y dando apoyo técnico en las labores de repostaje. Además la Comunidad de Madrid establecía una subvención de hasta 2.000 euros por cada vehículo del programa piloto. En cuanto a las estaciones de servicio privadas, existían desde hacía años en Madrid, Barcelona, Salamanca, Burgos, Sevilla y Valencia, pero solo a principios de 2008 en Valencia se inauguraba la primera estación pública de recarga de GNC. El lanzamiento se debía a un acuerdo alcanzado en junio de 2007 entre Gas Natural y la cooperativa de taxis de Valencia. A finales de 2008 Gas Natural mantenía contactos con Carrefour para explorar la incorporación de bombas de gas natural en sus estaciones de servicio, posteriormente con Seur… y más recientemente con Cepsa. Sin embargo el proceso de implantación es lento, así, a octubre de 2009 hay unas cincuenta estaciones de recarga de GNV, casi todas privadas, y por ejemplo solo existen tres “gasolineras” con GNV públicas en toda la provincia de Barcelona. Las mejoras más importantes que aporta el GNV respecto a otros combustibles utilizados en el transporte son: • Reduce las emisiones de CO2. • No contiene plomo ni trazas de metales pesados. • No emite partículas sólidas ni SO2. • Reduce considerablemente las emisiones de NOx y CO. • Genera menores niveles de emisión sonora y vibraciones que los motores diesel. • Garantiza un menor nivel de otras emisiones tóxicas, hoy todavía no reguladas, que cualquier otro combustible fósil. • Menor coste social asociado a las emisiones. Además el usuario ahorrará mucho más, ya que el motor extiende sustancialmente su vida útil, requiriendo menos gastos de mantenimiento por un alargamiento del periodo de cambio de aceite lubricante, de las bujías de encendido y de la necesidad de afinamiento. En la parte negativa hay que consignar una leve pérdida de potencia, prácticamente imperceptible en motores medianos, y una elevación del consu-


mo. En general hay una pérdida del aprovechamiento energético del GN respecto al gasóleo en torno al 10%, es decir, se necesita un 10% más de energía para recorrer el mismo kilometraje, aunque a un menor coste económico. En España no está permitido el GNV en los vehículos de uso privado, limitándolo al transporte público y de pasajeros (taxis y autobuses) y vehículos de recogida de RSU. A pesar de las restricciones legales y fiscales existentes durante muchos años, últimamente ha existido un desarrollo razonable en los sectores de servicio público que ha permito acercarse a los 2.000 vehículos. El combustible GNV goza de ciertas ventajas fiscales: su precio resulta el más barato dentro de los combustibles para el transporte, lo que le hace muy interesante desde un punto de vista económico; además, ya en 2007, IDAE promovía importantes ayudas para adaptar vehículos a GNV o de 1.200 € en 2009 para las operaciones de renting por ser un híbrido de tipo II. El que el GNV sea el combustible menos contaminante de los combustibles fósiles y su precio el más barato, lo convierte en un combustible muy interesante como una alternativa a corto e incluso a medio plazo para paliar el problema de la contaminación ambiental, y por esta razón está siendo promovido por la Administración. Para poder utilizar el gas natural en los vehículos, es necesario comprimirlo a altas presiones (GNC) o licuarlo (GNL), para que así sea posible almacenar una cantidad de energía aceptable, y lograr una cierta autonomía del vehículo comparable a los de gasolina o gasóleo. El más utilizado es GNC, aunque también se utiliza GNL. Este ultimo debe almacenarse a temperaturas criogénicas, a -163 ºC a 1 bar de presión. En este estado de presión y temperatura, la densidad del líquido es de

327

437 kg/m3, es decir, del orden de 600 veces mayor que en las condiciones a 1 bares y 15 ºC, mientras que el GNC habitualmente se comprime hasta 250 bar y se almacena en los vehículos a una presión de unos 220 bares. La relación de autonomías entre GNL y GNC a idénticas condiciones de partida, es aproximadamente de 2,9 veces, por el hecho de almacenar mucha más energía por unidad de volumen, por tanto el hecho de usar GNL permite casi triplicar la autonomía en el caso de igual capacidad del depósito. El principal inconveniente del GNL es que para mantener el tanque a dichas temperaturas criogénicas, se requiere un aislamiento de elevadísima calidad con materiales tales como la fibra de vidrio, o incluso llegando a practicar el vacío en parte de la pared del depósito. Se trata de evitar, en la medida de lo posible el calentamiento progresivo del GNL contenido en el interior del tanque, ya que con el calor se evapora algo del gas licuado con lo que también aumenta la presión y la temperatura, con un vapor cada vez más presurizado que acabaría rompiendo el tanque. Dado que los aislamientos térmicos no son perfectos, siempre entra algo de calor en el depósito y por tanto este siempre deberá tener una válvula de seguridad, para aliviar esta presión si esta resultara excesiva, descargando a la atmósfera la cantidad de gas vaporizado o reinyectarlo a la estación de licuefacción, para así mantener la presión estable en el interior del tanque. Estas posibles fugas de gas al ambiente se traducen en emisiones contaminantes y en la imposibilidad de estacionar el vehículo en lugares cerrados por el riesgo de explosión que esto conlleva. El GNC se comprime hasta unos 250 bares de presión y se almacena en el vehículo en cilindros instalados en la parte trasera, en el chasis

Figura 22.10. Ejemplos de ubicación de los cilindros de GNC en una furgoneta y en autobús.

328


o en el techo, a una presión de entre 200 y 220 bares (Figura 22.10). Cuando el motor requiere gas, este sale de los cilindros, y pasa a través de una válvula de bloqueo manual y se traslada a través de un regulador de combustible ubicado en el compartimiento del motor. El gas natural se inyecta a presión atmosférica a través de un mezclador de gas natural especialmente diseñado, donde se mezcla adecuadamente con aire. El gas natural fluye entonces hacia la cámara de combustión del motor y se inflama para crear la energía requerida para la impulsión del vehículo. Las válvulas son especiales, operadas por solenoide, que impiden que el gas entre al motor cuando este está apagado. El depósito de GNC es un cilindro, por cuestión de resistencia, de acero sin costura o de fibra de vidrio con resinas, con una presión máxima de trabajo de 250 bares y una capacidad máxima en volumen de 150 litros. Los elementos específicos y diferenciadores de un vehículo con GNC con respecto a uno convencional, aparte de depósito especial y tuberías, son los accesorios de los depósitos de gas natural, la válvula de alivio por sobrepresión, la válvula de carga y descarga, los reguladores de presión del recipiente, los dispositivos de medición de presión. En el caso de GNL también tendrá un vaporizador, que tiene la capacidad para vaporizar el GNL que alimenta al motor cuando este demanda el flujo máximo de combustible, En 2005 la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) realizó un estudio comparativo de taxis y autobuses de TMB de Barcelona utilizando GNV y gasóleo. Según los resultados del citado estudio, en el mejor de los casos el consumo energético en MJ/km era mayor en los taxis con GNC, cerca del 15% más, y casi igual en los autobuses, ya que el rendimiento del motor que consume gas natural es menor. Sin embargo se conseguían unos importan-

tes ahorros en costes utilizando GN respecto al gasóleo, del orden del 21 al 30% para los taxis y del 32 al 39% para autobuses, para los distintos casos considerados (central de compresión propia o no, gas natural comprado en mercado liberalizado o regulado). Las emisiones de CO2 son menores en un vehículo que utilice GN respecto al que funcione con gasóleo. Los cálculos teóricos de la cantidad de CO2 de la reacción estequiométrica del GN y del gasóleo están reflejados en la Tabla 22.4. De esta tabla se observa que por unidad de energía que suministra el combustible el vehículo con gas natural emite teóricamente un 24% menos que cuando se utiliza gasóleo. Pero debido al distinto consumo según el tipo de combustible se obtenía, en el citado estudio, que realmente se disminuyera solo el 10% en las emisiones de CO2 en los taxis y un 22% en los autobuses por km recorrido al usar GN en vez de gasóleo. Estos valores están en concordancia con los de la Tabla 22.5. Los gases de escape de un vehículo con GNC están exentos de plomo, compuestos sulfurosos y partículas. En efecto, el gas natural permite una oxidación más completa que la gasolina y el gasóleo, debido a su cadena carbonada más corta, lo que reduce la emisión de CO, hidrocarburos y partículas sólidas carbonadas. En cuanto a emisiones de compuestos altamente nocivos tales como aldehídos, benceno, tolueno, xileno e hidrocarburos aromáticos, que están considerados de alto riesgo en las grandes ciudades, el gas natural tiene un comportamiento sobradamente mejor que el diesel o la gasolina, dado que en su composición solo se encuentran trazas de este tipo de compuestos. En la Tabla 22.5 se presentan los valores promedios de las medidas realizadas por distintos organismos (IEA, IANGV, Fundación Bosch i Gimpera, Engine Fuel and Emissions Engineering Inc, Comisión Europea, DTMA del

Tabla 22.4. Emisiones de CO2 en la combustión estequiométrica del gas natural y del gasóleo por unidad de volumen, Nm3 en el GN y por litro en el gasóleo, y por unidad de energía que da el combustible en su combustión. Emisiones de CO2 : ; ~;: ; Por unidad de volumen

Por unidad de energía del combustible

GN

2.221,02

gCO2/Nm3 GN

56,07

gCO2/MJ

=

2.639,11

gCO2/litro gasóleo

73,84

gCO2/MJ

329


grupo GN) entre 1994 y 2002, sobre la emisión de distintos contaminates, según tipo de vehículo, y distinto combustible (GN, gasóleo y gasolina). Se observa que el GN es el que menos contamina por km recorrido del vehículo.

El hecho de usar gas natural como combustible conlleva también una notable disminución del ruido del motor. El uso del gas natural presenta unos 10 dB menos de emisión sonora que con gasóleo, así como un menor nivel de vibraciones.

Tabla 22.5. Emisiones promedio en g/km de distintos combustibles y vehículos, entre 1996 y 2002, según diversas referencias: IANGV, Fundación Bosch i Gimpera, Engine Fuel and Emissions Engineering Inc, IEA, Volvo car Corporation, Certification Dir 1999/96 (EEV), Comisión Europea, DTMA grupo Gas Natural. (Fuente: Gas Natural, 2006). Promedio de emisiones de distintos combustibles y vehículos CO2

CO

NOx

NMHC

Partículas

SO2

g/km

g/km

g/km

g/km

g/km

g/km

GN

1074

2,11

3,46

0,35

0,05

0

Gasóleo

1291

2,82

12,87

0,95

0,57

1,46

GN

148

0,6

0,29

0,03

0,01

0

Gasóleo

157

0,8

0,77

0,56

0,11

0,23

Gasolina

217

1,94

0,24

0,58

0,01

0,14

Vehículos pesados

Vehículos ligeros

Resumen de rendimientos En los apartados siguientes se justifica el rendimiento de un motor de gasolina y de gasóleo y se exponen los rendimientos de otra clase de motores.

MOTORES DE GASOLINA Y GASÓLEO El cálculo del rendimiento de un vehículo equipado con un motor de ciclo Otto, a partir de las siguientes premisas: • • • • •

•

Vehículo estudiado: Citroën Ax 1.124 cm3, potencia: 44 kW (60 CV) a 6.200 rpm. Masa: 690 kg + 70 kg (1 persona): 760 kg. Cx del vehículo: 0,5704. Consumo CEE a 90 km/h, 120 km/h y ciclo urbano: 4,5/6,1/6,9 l los 100 km. Poder calorífico de la gasolina PCI: 43,5 MJ/kg, masa volumétrica de la gasolina: 0,730 kg/l, masa volumétrica del aire a 20 °C y 1 bar: 1,202 kg/m3. Coeficiente de resistencia al rodamiento f: 0,015.

El cálculo del rendimiento se evalúa como se indica en los siguientes párrafos. Conociendo la potencia media necesaria para el recorrido en ciclo urbano, PE, para el vehículo estudiado y midiendo la cantidad de combustible consumido por unidad de tiempo (una hora), es posible determinar el valor del consumo específico. Este se define como el consumo horario de combustible por cada kW o CV de potencia utilizada. Para calcular esta potencia, se toma como referencia el ciclo de conducción CEE de tipo I, que se realiza a una velocidad de 18,7 km/h de media sin fases de ralentí. La potencia PE equivale al producto de la fuerza (suma de fuerzas de resistencia al aire, fuerza de velocidad y fuerza de rozamiento medido por un sistema dinamométrico) por la velocidad. En este caso se ha determinado una PE = 1,46 CV. Por otro lado: • •

El consumo de gasolina en ciudad es de 6,9 l los 100 km, equivalente a 0,9419 kg/h. El consumo específico medio en ciudad será de: 645,1 g/CV/h.

330


La energía de 0,9419 kg/h de gasolina es de: 0,9419 kg/h x 43,5x106 J/kg x (1 h/3.600 s) x (1,36 CV/1.000 J/s) = 15,47 CV. Y el rendimiento del vehículo será: 1,46/15,47 = 0,0944, es decir, un 9,44%. El cálculo de rendimiento de un vehículo equipado con un motor de ciclo Diesel, se realiza de forma semejante. Las premisas de cálculo son: • • • • • • •

•

Vehículo estudiado: Citroën Ax Diesel de 1.527cm3, Potencia: 42 kW (57 CV) a 5.000 rpm. Masa: 790 kg + 70 kg (1 persona): 860 kg. Cx del vehículo: 0,5704. Consumo CEE a 90 km/h, 120 km/h y ciclo urbano: 3,6/4,9/5 l los 100 km. Velocidad media en ciclo urbano Vcu: 18,7 km/h. Poder calorífico del gasóleo, PCI: 42,5 MJ/ kg, masa volumétrica del gasóleo: 0,730 kg/l, masa volumétrica del aire a 20 °C 1 bar: 1,202 kg/m3. Coeficiente de resistencia al rodamiento f: 0,015.

Al aplicar los mismos conceptos vistos anteriormente, resulta: • • • •

El PE asciende a 1,63 CV. El consumo de gasóleo en ciudad es de 0,6826 kg/h. El consumo específico medio en ciudad: 418,7 g/CV/h. La energía de 0,6826 kg/h de gasóleo es de:

0,6826 kg/h x 42,5x106 J/kg x (1 h/3.600 s) x (1,36 CV/1.000 J/s) = 10,95 CV. Y en rendimiento: 1,63/10,95 = 0,1489, o sea el 14,89%. En conclusión, a igualdad de términos comparativos el rendimiento de un motor diesel es del 14,89%, mientras que uno de gasolina es de 9,44%.

MOTOR ELÉCTRICO Para calcular el rendimiento de un vehículo eléctrico y compararlo con el de un coche equipado con un motor térmico, hay que considerar que la energía eléctrica se produce en una central térmica alimentada con combustible fósil. En cada transformación se pierde energía y estas pérdidas se acumulan. Las diferentes etapas y sus correspondientes rendimientos, son los siguientes: • • • • • • • •

Energía fósil (refinería): 100%. Central térmica: turbina de vapor: 40%. Alternador: 95%. Transformador alta tensión, baja tensión: 90%. Cargador de batería: 85%. Batería: 85%. Motor eléctrico: 95%. Rendimiento final: 22,2%.

Hay que tener en cuenta que el sistema parte de la base del combustible fósil a pie de central eléctrica. De tener en cuenta el transporte del combustible, la eficiencia sería menor. La energía necesaria para el recorrido del ciclo urbano difiere en función del tipo de vehículo. El coche con motor eléctrico es más pesado que el coche con motor térmico, pero recupera energía en las fases de frenado. Es pues necesario utilizar un coeficiente de comparación definido como la relación entre las energías necesarias en los vehículos estudiados. El coche eléctrico considerado (Citroën Ax) requiere una media de 1,75 CV para recorrer el ciclo urbano, mientras que el Ax de gasolina necesita 1,46 CV medio para el mismo recorrido. El rendimiento del vehículo eléctrico con relación al mismo vehículo de gasolina es: 22,2 x (1,46/1,75) = 18,6%. Este rendimiento es considerando que la energía eléctrica procede de una central eléctrica convencional; si procede de un ciclo combinado con un rendimiento del 50%, se alcanza en el vehículo un rendimiento del 23,2%. La gran ventaja del motor eléctrico reside cuando la electricidad tiene un origen renovable, en cuyo caso el rendimiento alcanza el 46,4% haciendo los mismos cálculo santeriores. Por tanto el coche eléctrico tiene un rendimiento de 3,1 veces el diesel y de casi 5 veces respecto al de gasolina. Además los coches eléctricos, como se ha comen-


tado, con los sistemas de recuperación de frenada recuperan energía y consumen aproximadamente un 15% menos. Por el momento los principales inconvenientes provienen de la forma de generación de energía eléctrica y la autonomía del vehículo.

331

propuestas más avanzadas conocidas como “bienergía”, en que además el aire comprimido es calentado, en una cámara externa previa con un combustible, antes de entrar en el sistema de expansión.

MOTOR CON GNC MOTOR DE AIRE COMPRIMIDO Para calcular el rendimiento, en ciclo urbano, de un Ax equipado con el motor limpio MDI (siglas de Motor Development International) de aire comprimido, se procede de la misma manera que para el vehículo eléctrico, partiendo de la energía de base en la refinería. A fin de obtener un resultado coherente, se calcula la masa del vehículo, teniendo en cuenta un volumen de aire y de depósitos que garantizan una autonomía comparable a la del AX eléctrico (alrededor de 80 km), se obtiene 650 Kg. Los parámetros de partida son: • • • • • • • • •

Energía fósil (refinería): 100%. Central térmica: turbina de vapor 40%. Alternador: 95%. Transformador alta tensión/baja tensión: 90%. Motor eléctrico del compresor: 95%. Compresor de alta presión: 60%. Recuperación de energía solar + 10% (llenado de noche). Motor MDI Ev3 + recuperación de energía térmica ambiental: 75% Rendimiento final entre 14,62 y 16,08%.

En el caso de un Ax equipado con el concepto MDI, que permite reducir el peso del vehículo en unos 100 kg, la potencia media necesaria para recorrer el ciclo urbano es de 1,25 CV, mientras que un Ax de gasolina necesita una media de 1,46 CV para el mismo recorrido. El rendimiento del mismo vehículo MDI con relación al mismo vehículo de gasolina será: • •

Relleno de día = 14,62 × (1,46/1,25) = 17,07 %. Relleno de noche = 16,08 × (1,46/1,25) = 18,78 %.

La tecnología del motor MDI es nueva y prometedora, pues abre una vía nueva. Incluso hay

Los autores no tienen datos específicos para el vehículo considerado en los anteriores apartados, si bien el rendimiento habitual de un vehículo ligero en un recorrido por ciudad es del orden de un 15% inferior al de un motor de gasolina. Como el motor es el mismo, solo hay un pequeño incremento en el peso del vehículo por la necesidad del depósito suplementario de GNC y elementos específicos, con lo que el peso se situará entre el de un coche de gasolina y uno diesel, por lo que aproximadamente el PE puede ponderarse en un valor intermedio de estos dos vehículos, 1,54 CV. El consumo de energía del combustible, a falta de valores experimentales, consideramos que sería equivalente a una potencia de 17 CV, evaluado con un 15% de más que en el caso del AX de ciclo Otto de gasolina. En estas condiciones el rendimiento estimado del motor sería: Rendimiento: 1,54/17 = 0,0906, o sea, el 9,06%. En definitiva, el motor con GNC es el que tiene más bajo rendimiento energético, aunque como se ha comentado anteriormente, emite menos emisiones que el de gasolina y el de gasóleo.

OTROS MOTORES MÁS AVANZADOS El Laboratorio Nacional Argonne, perteneciente al Departamento de Energía de EE UU y el Instituto Tecnológico de Massachussets, han concluido un minucioso estudio comparativo, que se reproduce en la Figura 22.11, donde se comparan las eficiencias de: • • • •

Coche de gasolina. Motor de gasóleo acoplado a un vehículo híbrido. Coche con pila de combustible de hidrógeno. Coche híbrido eléctrico con pila de combustible.

332


La eficiencia se compara como: •

•

Petróleo/carburante (well-to-tank efficiency). Es decir, la eficiencia del refino para obtener el carburante. La gasolina y el gasóleo se obtienen a partir del petróleo, mientras el hidrógeno se sintetiza a partir del gas natural. Carburante/energía mecánica (tank-to-wheel efficiency). Es el rendimiento real de la transformación química a mecánica o quí-

•

mica/eléctrica a mecánica, en el caso de las pilas de combustible. Petróleo/energía mecánica (well-to-wheel efficiency). Expresa el rendimiento global.

De cara al problema ambiental general, la opción más eficiente, la última que combina una pila de combustible con un motor híbrido, tiene un rendimiento global próximo al 30%, lo que no soluciona el problema de la emisión de CO2. Por ello es preciso obtener el hidrógeno a partir de energía renovable.

Figura 22.11. Comparación de rendimientos en función del tipo de tracción.

Las pilas de combustible

23

LA PILA DE COMBUSTIBLE FORMARÁ PARTE DEL MOTOR DEL FUTURO. ACTUALMENTE EXISTEN PROBLEMAS DE COSTE Y DE ALMACENAMIENTO Y DISTRIBUCIÓN DEL HIDRÓGENO PARA SU UTILIZACIÓN Y SE PROPONE EL METANOL COMO ALTERNATIVA •

• • • • •

•

• •

Se trata de una tecnología limpia y energéticamente eficiente para el transporte. Tiene una eficiencia del 30-40% frente al 25% de una máquina térmica. Además emite solo vapor de agua. El sistema es conceptualmente diferente del convencional: no hay combustión y por tanto no está sometido al ciclo de Carnot, lo que implica un horizonte mucho más amplio que el actual de los motores basados en máquinas térmicas. No tiene partes móviles: es segura (de cara al mantenimiento) y silenciosa. El suministro de energía eléctrica de una pila de combustible no cesa mientras haya aportación de combustible, habitualmente H2, amoniaco o hidracina. Entrada rápido en funcionamiento (evita alta contaminación puntual y averías importantes en los motores). Diseño flexible y posibilidad de integrarse en sistemas híbridos. La pila de combustible más desarrollada es la de hidrógeno. Si bien, debido a las servitudes inherentes a este combustible (básicamente producción y almacenamiento a alta presión o muy baja temperatura), se han desarrollado pilas a partir de otros combustibles, como el metanol. Una limitación para su desarrollo en serie es la obtención del hidrógeno. Esto será rentable cuando la energía renovable sea asequible. Se han desarrollado sistemas para obtenerlo a partir de microalgas. El otro problema, para la implantación masiva de las pilas de combustible, consiste en el sistema de almacenamiento y suministro de H2. Un modelo de futuro sería la producción del hidrógeno a bordo, mediante catálisis, a partir de un bioalcohol.

Introducción En 2007, para conmemorar el centenario de su fundación la General Motors diseñó un coche, el Chevrolet Sequel, con una pila de combustible alimentada con hidrógeno. El coche está dotado de unas baterías de litio que suministra energía a un mo-

tor eléctrico de 73 kW y logra alcanzar los 145 km/h con una autonomía de casi 500 km. Este último parámetro es lo que le distingue de sus competidores ya que todas las grandes marcas han desarrollado su automóvil con pila de combustible.

334


El hidrógeno como combustible El hidrógeno es el elemento más abundante de la naturaleza, aunque no se encuentra en estado libre, y es el elemento más ligero, de peso atómico 1. El hidrógeno líquido tiene una densidad de 0,07 kg/m3, muy inferior comparativamente con el agua (1.000 kg/m3) o con la gasolina (750 kg/m3). Esto le confiere la ventaja de almacenar por unidad de masa aproximadamente 2,6 veces la cantidad de energía almacenada en la gasolina. En cambio, por unidad de volumen, se necesita cuatro veces el volumen de la gasolina para almacenar la misma cantidad de energía en forma de hidrógeno. Como combustible es no contaminante ni tóxico, aunque su difusión en ambientes confinados puede provocar problemas debido a su explosividad. El poder calorífico del hidrógeno es: PCI =120 MJ/kg (28.669 kcal/kg). PCS=142 MJ/kg (33.887 kcal/kg). Su densidad de energía gravimétrica es de 120 MJ/kg, notablemente superior a la del petróleo (45 MJ/kg). Sin embargo la densidad de energía volumétrica es menor, puesto que 1 litro de petróleo equivale a 4,6 litros de hidrógeno comprimido a 700 bares. PCSv = 11,7 kJ/l. PCIv = 9,9 kJ/l.

geno. Aproximadamente el 48% del hidrógeno procede del reformado del gas natural, el 30% de procesos a partir del petróleo, el 18% del carbón y el 3% restante de los procesos de cloro-álcali. Teniendo en cuenta su uso como combustible, se puede comparar con otros combustibles de origen fósil ampliamente utilizados en la actualidad, como se muestra en la Tabla 23.1. En resumen, las ventajas e inconvenientes respecto a otros carburantes son: Ventajas frente a otros combustibles fósiles: •

• • •

Desventajas frente a otros combustibles fósiles: •

•

Actualmente, la industria europea produce del orden de 65 billones de metros cúbicos de hidró-

Alta densidad energética en base másica. Bajo peso de combustible en los tanques de almacenamiento. Alta disponibilidad. Se puede producir a partir de distintas materias primas. Elemento estable y no corrosivo. Combustible “limpio”. La combustión del hidrógeno con oxígeno solo produce agua (aunque con determinadas relaciones H2/aire se producen óxidos de nitrógeno (NOx).

•

Baja densidad energética en base volumétrica. Se requieren tanques contenedores grandes y pesados. Transporte y almacenamiento costosos y de implementación compleja. Combustible secundario: se debe consumir energía para conseguirlo a partir de las

Tabla 23.1. Propiedades comparativas de combustibles. Característica PCI (MJ/kg) Densidad en condiciones estándar (g/l) Estado en condiciones estándar Temperatura de autoignición en aire (ºC) Concentración de inflamabilidad en aire (% en volumen) Coeficiente de difusión en el aire (cm2/s) Toxicidad para las personas

Gas natural

Gasolina

Propano

120

49,5

42 - 44

44

0,086

0,598

718 - 778

505

Gas

Gas

Líquido

Líquido

565 - 582

540

257

454 - 510

4,1 - 74

5,3 - 15

1,4 - 7,6

2,2 - 9,5

0,61

0,16

0,051

0,109

No tóxico Asfixiante


Venenoso Irritante para pulmones, estómago y piel



distintas materias primas (agua, biomasa, combustibles fósiles) ya que no existe en estado elemental.

COMPARACIÓN CON LA GASOLINA La Figura 23.1 muestra la necesidad de volumen (eje de ordenadas en litros) con respecto al peso (kg en el eje de abscisas) para almacenar 5 kg de hidrógeno, o energía equivalente. La dificultad de almacenaje del hidrógeno se halla implícita en la Figura 23.1. La cantidad de 5 kg de hidrógeno equivale a la energía desarro-

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llada por 18 litros de gasolina, es decir, una tercera parte del depósito de un coche corriente. Si el H2 es almacenado en depósitos a 350 bares, el volumen requerido es de, aproximadamente, 500 litros, con un peso del orden de 240 kg (más los 5 de hidrógeno). A mayor presión de compresión, 700 bares, se reduce el volumen y también puede reducirse el peso del depósito a 200 kg. En el caso de almacenamiento en forma líquida se necesita mantener la temperatura a -250 ºC. De ello se deduce que el problema del almacenaje es el primer reto a resolver.

Figura 23.1. Peso y volumen de distintos depósitos para almacenar 5 kg de H2 o energía equivalente (Fuente: Fiat Research. ICE 23001, Capri, Italia).

La producción de hidrógeno En la actualidad, se pueden considerar dos formas básicas de producción de hidrógeno, ambas a partir de combustible fósil, que se explican a continuación.

REFORMADO DE HIDROCARBUROS Se realiza a partir de combustibles convencionales, como gas natural, metano, metanol u otros hidrocarburos, que a su vez pueden provenir de combustibles fósiles o de la biomasa mediante metanización o formación de bioalcoholes.

Actualmente, la industria de producción de hidrocarburos y especialmente el sector gasista se ha involucrado en el desarrollo de tecnologías que utilicen el hidrógeno como combustible. El gas natural ya tiene presencia tanto en el sector de la automoción, con vehículos que funcionan con gas natural, como en el de la generación eléctrica, mediante las centrales de ciclo combinado. Para la obtención del hidrógeno existen dos procesos principales, el Steam Methane Reforming (SMR), con eficiencias del 70-80%, y la oxidación parcial de hidrocarburos pesados.

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El proceso de reformado del gas natural

El Steam Methane Reforming (SMR) genera también CO2, que resulta una impureza sin importancia en el hidrógeno para según qué aplicaciones pero, en el caso de las pilas de combustible, envenena los catalizadores. Por ese motivo, y para reducir emisiones de gases de efecto invernadero, se están desarrollando tecnologías para capturar ese CO2 resultante inyectando carbón activo en el SMR. El gas natural contiene aproximadamente un 90% en volumen de metano pero tiene trazas de gases sulfurados que actúan envenenando los catalizadores, por lo que debe ser desulfurado. Este proceso también se lleva a cabo en algunas aplicaciones de pilas de combustible añadiendo un módulo de eliminación de compuestos sulfurados a la propia pila. En el SMR los gases desulfurados se mezclan con vapor sobrecalentado (entre 600-900 ºC) para ser reformado en tubos con un catalizador a base de níquel o cobre-zinc. El gas reformado consistente en vapor, hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono se enfría, y se hace pasar de nuevo por un catalizador de hierro que obliga a que el CO reaccione con el vapor para formar más hidrógeno y CO2. De esta manera se puede pasar del 10-14% en volumen de CO a aproximadamente 50 ppm. El CO2 se elimina de la corriente gaseosa mediante un lavado con aminas y el CO remanente pasa a convertirse en metano. Las grandes unidades de reformado alcanzan producciones de hasta 100.000 m3/h. Oxidación parcial de hidrocarburos pesados

Los hidrocarburos pesados no se pueden craquear mediante el SMR porque a temperaturas de unos 800 ºC rápidamente colapsan los catalizadores e impiden el flujo de gas. A diferencia del SMR no se necesitan materias primas de alta calidad; el fuelóleo pesado y los aceites residuales se pueden utilizar con la oxidación parcial. Este proceso requiere el aporte de aire u oxígeno y unas temperaturas entre 1.300 y 1.500 ºC a una presión entre 30 y 100 bares que evita el uso de catalizadores. Se ha calculado aproximadamente el coste de producción de hidrógeno en 5 €/GJ a partir de gas natural y 10 €/GJ a partir de carbón.

PRODUCCIÓN ELECTROLÍTICA DE HIDRÓGENO La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua fue ampliamente utilizada hasta la década de 1950 cuando la obtención de hidrógeno a partir de hidrocarburos se generalizó por su inferior coste. Actualmente solo se utiliza este sistema para producir hidrógeno, y oxígeno, de muy elevada pureza. Si el hidrógeno se utiliza para generar energía, como en el caso de las pilas de combustible, este proceso no es eficiente puesto que se consume más electricidad en el proceso de electrólisis de la que se obtiene al usarlo como combustible. Actualmente, entre el 1 y el 2% del hidrógeno del mercado se produce a partir de electrólisis, en la que el coste de la electricidad supone los dos tercios del coste total de operación. Debido a los costes, se utiliza este sistema mayoritariamente de manera descentralizada, generando el H2 de alta pureza en aquellos lugares o instalaciones donde se necesita. La producción a mayor escala se hace más rentable mediante electrólisis alcalina a presión. Electrólisis del agua

La electrólisis alcalina a presión atmosférica es fiable y ha sido utilizada mayoritariamente durante décadas. La reacción se inicia aplicando una corriente de 1,5 V a dos electrodos situados en un electrolito ión conductor, normalmente potasa cáustica (KOH). En el ánodo se genera oxígeno, y en el cátodo hidrógeno, que se mantienen separados por una membrana permeable a los iones que mantiene el equilibrio de cargas. Industrialmente se apilan estas celdas electrolíticas para hacer un stack (apilamiento, en terminología inglesa) donde se separan los gases y se bombea la solución electrolítica. Se opera principalmente a presión atmosférica, aunque trabajar a presiones superiores supone la ventaja de obtener un hidrógeno ligeramente comprimido que necesita posteriormente menos aporte de energía para comprimirlo al almacenarlo y reduce el volumen de las celdas. Este sistema llega a eficiencias del 70%. El sistema más efectivo consiste en aprovechar las puntas de energía de la red, entre otras, para generar hidrógeno, operando a una presión de 3 MPa.

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Para menores capacidades de producción también se utilizan celdas electrolíticas PEM (Proton Exchange Membrane), de membrana de intercambio de protones o de electrolito de polímero. La eficiencia es todavía menor que con el sistema anterior debido a que aún no está totalmente desarrollado ya que es más reciente. Se usa, por tanto, para pequeñas producciones, teniendo en cuenta que tiene los mismos inconvenientes económicos que las PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) el coste de los catalizadores y de la membrana protónica. El coste de obtención de hidrógeno mediante electrólisis se estima en 18 €/GJ. Mientras la Figura 23.2 muestra de manera elemental que el proceso de electrólisis del agua representa el inverso del de una pila de combustible, la Tabla 23.2 muestra unos parámetros comerciales de operación de estos dos tipos de electrolizadores:

lizable son necesarios, en función del rendimiento de las conversiones eléctricas, 3,3 kWh.

OTROS MÉTODOS DE OBTENCIÓN DE H2 Existen muchos otros métodos de producción de hidrógeno. Hidrógeno a partir de biomasa

A partir de la biomasa se puede obtener hidrógeno de diversas maneras. Mediante gasificación, pirólisis o metanización. En estos procesos se generan gases ricos en metano a partir de los que se obtendría hidrógeno mediante SMR. Se puede conseguir metanol a partir de la materia orgánica y utilizar el metanol como precursor del hidrógeno. Estas técnicas, aunque conocidas para otras aplicaciones, no se han implementado todavía a escala comercial. Reformado de metanol

El hidrógeno puede obtenerse por tres vías catalíticas diferentes a partir del metanol: oxidación parcial con oxígeno o aire [Ec. 1], reformado con vapor de agua [Ec. 2] y descomposición [Ec. 3]: CH3OH + 1/2 O2 o CO2 + 2 H2 CH3OH + H2O o CO2 + 3 H2 CH3OH o CO + 2 H2

Figura 23.2. Esquema de funcionamiento de un electrolizador y una pila de combustible.

La electrólisis se realiza mediante energía eléctrica, pudiendo ser producida a partir de energías renovables. Para producir 1 kWh de hidrógeno uti-

[Ec. 1] [Ec. 2] [Ec. 3]

Oxidación parcial. Es una reacción exotérmica, que alcanza una eficiencia térmica aproximada del 82% y no requiere vapor, por lo que el coste es menor al utilizar únicamente aire. La cantidad de hidrógeno producida, sin embargo, es menor según su relación estequiométrica. Este proceso es de gran interés desde el punto de vista de la transformación in situ de metanol

Tabla 23.2. Parámetros de operación de electrolizadores. Tecnología

Parámetro de operación/proceso

Aplicación

T: aproximadamente 80 ºC Electrólisis alcalina con potasa como P: atmosférica - 12 MPa electrolito Uso comercial aproximadamente 3 MPa

Todo tipo de capacidades de producción, aplicando del orden de kW a MW

T: aproximadamente 80 ºC P: atmosférica - 12 MPa Uso comercial aproximadamente 3 MPa

Para pequeñas producciones, celdas de aproximadamente 100 kW, para aproximadamente 20 Nm3 H2/h

PEM celda electrolítica

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a hidrógeno para su uso en pilas de combustible, sobre todo en automóviles. La principal dificultad está en conseguir catalizadores que operen a bajas temperaturas y que permitan una oxidación del metanol a H2 y CO2, pero que no oxiden el hidrógeno a agua. Asimismo, el catalizador debe procurar una mínima formación de CO y, en caso de formarse, debe poder oxidar el CO a CO2 generando a su vez más hidrógeno. La reacción inversa del gas de agua (WGSR) es la siguiente: H2 + CO2 ' H2O + CO Los catalizadores investigados son, principalmente, los de Cu/ZnO y de Pd/ZnO, óxido de cinc enriquecido con cobre o paladio, que a pesar de sus buenos resultados no evitan que en la corriente final haya pequeñas cantidades de agua y CO, además de hidrógeno. Estos gases a la salida del reactor parcial de metanol deben depurarse para rebajar la concentración de CO por debajo de 50 ppm. Esta eliminación se puede dar por diversas vías, aunque ninguna de ellas es óptima: •

•

•

Metanación, es decir, haciendo reaccionar el CO con H2 para obtener metano, aunque esto consume parte del hidrógeno. En caso de muchas impurezas de CO haría el proceso inviable y una incorrecta operación metanaría también el CO2, agotando el hidrógeno formado. Oxidación: es poco efectiva aún; se estudian catalizadores de Pd/Pt y de Ni/Pd que puedan catalizar la oxidación de CO a CO2 sin oxidar el H2. Separación con membranas: es una solución aparentemente sencilla ya que el hidrógeno es el compuesto de menor tamaño de la corriente gaseosa resultante del reformador; es de hecho la molécula más pequeña que existe. La diferencia de tamaño entre el H2 y el CO es pequeña, lo que dificulta la obtención de un material con un tamaño de poro tan pequeño que pueda discriminar ambos compuestos.

Reformado con vapor de agua. El reformado con vapor de agua responde al mismo esquema que el steam methane reforming o el reformado

explicado anteriormente. Una combinación de este sistema, endotérmico, con el de oxidación parcial del metanol, exotérmico, permitiría la obtención de hidrógeno con un balance de energía casi nulo. Este proceso combinado se puede dar a altas temperaturas, poco operativas; por ello se investiga con catalizadores que bajen la temperatura de operación basados en Cu, Ni, Pd y Pt. Un ejemplo de ello es el programa Mercatox (methanol reforming and catalytic oxidation), que se comenta más adelante. Los gases resultantes del reformado con vapor tienen un poder calorífico un 8% mayor que el metanol puro, lo que supone una eficiencia térmica del reactor del 108%. Si se compara con el poder calorífico del metanol líquido, que siempre contiene agua, se alcanza el 114% de eficiencia térmica. Estos supuestos de eficiencia ideal solo se darían en caso de recuperar una parte del calor de los gases resultantes como aporte energético para realizar la reacción de reformado, que es endotérmica. Descomposición. Actualmente, el metanol se obtiene habitualmente a partir del gas natural, por lo que no hay una producción industrializada de hidrógeno a partir de metanol. Esto tendría su lógica si se obtuviera metanol a partir de biomasa. El metanol es un líquido mucho más fácil de transportar que el hidrógeno y podría solventar muchos problemas relacionados con el transporte y almacenaje. Por ello diversos programas de investigación se han centrado en diseñar módulos de reformado de metanol que puedan ensamblarse directamente a las pilas de combustible, ya sea en aplicaciones estacionarias o móviles. Uno de estos programas es Mercatox, que parte del programa de la Unión Europea Ecojoule III, y estudia sistemas catalíticos con metales para el reformado de metanol con vapor y la combustión de metanol y el gas con contenido en hidrógeno de la pila de combustible. Hasta ahora, este tipo de dispositivos generan problemas debido a la formación de puntos fríos y calientes en el lecho del reactor ofreciendo pobres resultados de funcionamiento. Además requiere demasiado tiempo para alcanzar la temperatura de trabajo, resultando inaplicables en automoción. El objeti-

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Las pilas de combustible Tabla 23.3. Reacciones en el sistema de reformado/combustión de metanol. Steam reforming (reformado con vapor)

Combustión

Reacción endotérmica: consume calor

Reacción exotérmica: libera calor

CH3OH + vapor → H2 + CO2 CH3OH + H2O → 3H2 + CO2

2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O 2H2 + O2 → 2H2O

vo de este proyecto es desarrollar un prototipo de reformador catalítico de metanol integrado y un sistema de limpieza de gases por oxidación selectiva a alta temperatura con el fin de obtener un gas rico en hidrógeno en cantidad suficiente para alimentar una pila de combustible de 20 kW. Estas dos reacciones se dan en el reactor para poder compensar la energía necesaria para el reformado, como indica la Tabla 23.3. En la Figura 23.3 se muestra una foto del prototipo para la combustión y reformado integrados en un intercambiador de calor comercial recubierto con catalizador para el reformado del metanol.

Figura 23.3. Imagen de un prototipo para la combustión y reformado integrados en un intercambiador de calor comercial recubierto con catalizador para el reformado de metanol (Fuente: www.ecn.nl).

Producción mediante algas

Es ampliamente conocida la capacidad de algunas bacterias y algas fotosintéticas de producir hidrógeno bajo el efecto de la luz. Esta línea de investigación se inició con sistemas fotosintéticos constituidos artificialmente: con cloroplastos aislados con la enzima hidrogenasa y una ferredoxina, con cianobacterias que fotodisocian el agua y con bacterias fotosintéticas (Figura 23.4).

La evolución y la búsqueda de nuevas soluciones han avanzado en la obtención de hidrógeno a partir de microalgas, capaces de fotooxidar moléculas de agua a oxígeno y a ferredoxinas, especies muy reductoras. Este potencial de reducción generado lo utiliza la microalga para la fijación de CO2 en forma de azúcar en su ciclo de Calvin. La ferredoxina, bajo ciertas condiciones, interactúa con la hidrogenasa, una enzima que cataliza la producción de hidrógeno a partir de dos protones y el potencial de reducción de la ferredoxina, que aporta electrones. Este proceso se ve limitado biológicamente como sistema de producción de hidrógeno de manera continuada. Por un lado, la hidrogenasa es muy sensible al oxígeno formado en la fotodisociación. El potencial de reducción formado en el fotosistema, primera cadena de reacciones de la fotosíntesis, tiene como función la de reducir el CO2 a azúcar; es por tanto necesario evitar esta reacción apartando esta sustancia y desviándola para que actúe con la hidrogenasa. Estos son los principales obstáculos que se están intentando salvar, a base de modificar la estructura de las enzimas para hacer a la hidrogenasa insensible al O2. Esto se puede conseguir eliminando gradualmente el oxígeno a medida que aparece, arrastrándolo con un gas inerte como el nitrógeno, aunque es bastante caro y complejo. Por otro lado, se está investigando en modificar la estructura química de la hidrogenasa para hacerla resistente al oxígeno. El Instituto de Biología Estructural JeanPierre Ebel de Grenoble ha obtenido la estructura molecular de las hidrogenasas. Estas proteínas están divididas en dos familias principales, las hidrogenasas Fe-Ni, consumidoras de hidrógeno y la hidrogenasas con solamente hierro, productoras de hidrógeno. El centro activo de las enzimas que aceptan el hidrógeno puede ser modificado por mutación. El hidrógeno llega al centro activo a través de canales hidrofóbicos que son capaces de

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dejar pasar también el oxígeno y otros inhibidores, como el CO. La saturación parcial de estos canales podría suponer el paso de hidrógeno, de mucho menor tamaño, y la retención del oxígeno. La producción de hidrógeno a partir de bacterias fotosintéticas empleando sistemas controlados y con catalizadores puede alcanzar una eficiencia del 24%.

Figura 23.4. Sección al microscopio electrónico de una alga unicelular, chlamidomonas, de longitud aproximada de 10 micras. Las letras cp indican los cloroplastos (Fuente: www.cea.fr).

Almacenamiento y transporte de hidrógeno Para el almacenamiento y transporte de hidrógeno, teniendo en cuenta la rentabilidad y, por tanto, las perspectivas de futuro de su uso como combustible, es muy importante considerar su poder calorífico volumétrico. El hidrógeno debe ser comprimido o licuefactado para su almacenamiento y transporte, y posterior comercialización.

A cualquier presión, el hidrógeno contiene menos energía por unidad de volumen que el metano (entendiéndose gas natural), metanol, propano u octano (entendido como gasolina), tal como muestra la Figura 23.5. A 800 bares el hidrógeno alcanza la misma densidad de energía que el hidrógeno líquido, pero el

Figura 23.5. Densidad de energía para diversos combustibles.

341


Figura 23.6. Energía precisa para licuefactar el hidrógeno, en MJ/kg H2.

metano alcanza una densidad energética superior a la del hidrógeno en un factor de 3,2. El metanol la sobrepasa en un factor de 1,7 a presión atmosférica. El hidrógeno a 800 bares o licuefactado, que sería lo más efectivo, solamente puede almacenarse en tanques a presión de alta tecnología y tanques criogénicos, lo que supone un alto coste, mientras que los líquidos como la gasolina o el metanol, a presión atmosférica son fácilmente transportables. Esto hace del metanol un vehículo energético ideal. La molécula de hidrógeno es tan sumamente pequeña que se difunde y escapa muy fácilmente. Esto se traduce en que los tanques para contener hidrógeno sean muy especiales y caros. Para que el hidrógeno se erija como un combustible ampliamente utilizado es imprescindible que el coste, tanto energético como económico, de síntesis, de almacenamiento y de transporte sea menor que la ganancia reportada en su uso, tanto energética como económicamente. Se puede diferenciar entre el almacenamiento en grandes tanques, a gran escala, y en pequeñas cantidades para su uso, como un depósito de combustible en un vehículo. En función de este aspecto se pueden utilizar diferentes métodos para el almacenaje.

MANTENIMIENTO DEL HIDRÓGENO A BAJA TEMPERATURA Para usar el H2 líquido, se necesita mantener el hidrógeno a una temperatura de 20 ºK, lo que pro-

voca un gran gasto energético, y además se producen pérdidas entre 0,1-0,01% diariamente por su evaporación. Teóricamente, se necesitan absorber 4 MJ/ kg para enfriar el hidrógeno hasta 20 ºK, pero el proceso de enfriamiento tiene una eficiencia gobernada por el ciclo de Carnot del 7%, por lo que el consumo real, en función de la capacidad de la planta de licuaefacción, varía tal como muestra la Figura 23.6. Así una planta con una capacidad de 100 kg/h requiere 60 MJ de energía eléctrica para licuefactar 1 kg de hidrógeno, lo que supone aproximadamente el 50% del PCS del hidrógeno.

MANTENIMIENTO A ALTA PRESIÓN La energía necesaria para comprimir los gases depende del proceso termodinámico de compresión, que se aproxima a la ecuación de compresión adiabática para gases ideales:

Donde: W: trabajo específico de compresión (J/kg). Este parámetro depende de la naturaleza del gas. p0: presión inicial (Pa). p1: presión final (Pa). n: coeficiente adiabático. V0: volumen específico (m3/kg).

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Figura 23.7. Energía necesaria para la compresión adiabática de algunos gases.

El coeficiente adiabático y el volumen específico dependen del gas: H2: n=1,41; V0=11,11 m3/kg. He: n=1,66; V0=5,56 m3/kg. CH4: n=1,31; V0=1,39 m3/kg. Se puede comparar la energía necesaria para la compresión adiabática de estos gases como muestra la Figura 23.7. Actualmente los compresores multietapa con refrigeración consiguen realizar la compresión con

Figura 23.8. Energía comparada entre la compresión adiabática y la isoterma.

un gasto energético intermedio entre la compresión adiabática e isotérmica, ya que el calor de compresión del gas pasa a las paredes del compresor. Un compresor de cinco etapas necesita el 7,2% del PCS del hidrógeno para comprimir 1.000 kg/h desde 1 bar hasta 200 bares. Para alcanzar una presión final de 800 bares se necesitaría aproximadamente un 10%. La gráfica de la Figura 23.8 muestra la energía necesaria para la compresión, adiabática e isotérmica, en porcentaje de energía respecto al PCS.


Tanques de alta presión

Actualmente se consiguen buenos resultados a presiones entre 400 y 450 bares, pero las investigaciones se orientan a conseguir presiones de hasta 700 bares para optimizar el espacio y rentabilizarlo económicamente. Estos tanques deben ser los apropiados para almacenar el hidrógeno previamente a su uso en vehículos, unidades generadoras eléctricas o pequeñas aplicaciones. Estos tanques, debido a las altas presiones, deben estar fabricados con materiales de gran resistencia, como aleaciones metálicas o polímeros reforzados con fibra de carbono, para evitar que se difunda el hidrógeno. La investigación para el almacenamiento del gas está actualmente orientada al desarrollo de materiales de construcción de los tanques para aumentar prestaciones, disminuir el volumen y la cantidad de material utilizado, y abaratar los costes. Las aleaciones de aluminio y el acero austenítico (enriquecido con cromo y níquel) ofrecen gran resistencia a la presión y la corrosión. Sin embargo, conviene destacar que solo el 2-3% del peso del tanque lleno corresponde al combustible. Otra posibilidad es mantener un recubrimiento interior metálico, para evitar la difusión del hidrógeno, soportado por un tanque de polímero reforzado. Este sistema permitiría una relación de capacidad de almacenamiento del combustible del 5%. Los tanques enteramente realizados en polímeros multicapa para controlar la permeabilidad, resistir la presión y corrosión, y reducir el peso están aún en fase de experimentación. Podrían suponer una capacidad de almacenamiento del 5-10% en peso de combustible y una considerable reducción de costes. Cabe recordar que, para aplicaciones móviles como vehículos, la resistencia de estos tanques al choque, en conjunto con sus válvulas, es de gran importancia para la seguridad. Microesferas de vidrio

Se trata de una investigación desarrollada por la CEA1 en el contexto de experimentos físicos con láser. Las microesferas tienen un diámetro aproximado de 1 mm y un grosor del orden de decenas de micras. Se llenan a alta temperatura (400 ºC) 1

CEA: Comisariado para la Energía Nuclear, Francia.

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por permeabilidad y posteriormente liberan el gas por fractura de las esferas o por difusión al exterior al calentarlas. Es una tecnología que no se considera actualmente como opción de futuro para el almacenaje, aunque supone una ventaja desde el punto de vista de la reducción de los riesgos de explosión.

ALMACENAMIENTO DEL HIDRÓGENO A BAJA PRESIÓN En forma de hidruros metálicos

De esta manera se evitan los riesgos asociados a la explosividad del hidrógeno y se conciben como una opción de futuro a desarrollar para los depósitos de alimentación de las pilas. Actualmente la velocidad de absorción-desorción de hidrógeno es demasiado baja. Los experimentos realizados con diversos compuestos presentan unas características que limitan sus usos potenciales según las condiciones de operación, como que la aplicación sea estacionaria o móvil, o la temperatura a la que operará. La velocidad de absorción-desorción del hidrógeno, su estabilidad a la temperatura ambiente de operación o la presión de equilibrio determinarán la seguridad del almacenamiento sin sufrir pérdidas ni producir impurezas en el hidrógeno. Estas características se detallan para algunos casos estudiados en la Tabla 23.4. Por ser un sistema compacto y de baja presión, el almacenamiento en forma de hidruros metálicos presenta una gran ventaja en cuanto a seguridad. La capacidad de almacenamiento es en general insuficiente, entre 1-2% en peso, cuando se considera necesario un mínimo del 6% para que sea viable en aplicaciones móviles. El hidruro de magnesio ofrece una capacidad de absorción del 7%, pero su baja velocidad de desorción limita su uso en las aplicaciones consideradas de futuro actualmente. El coste es actualmente elevado, unos 20 €/kg de material. La investigación se dirige a conseguir hidruros de aleaciones metálicas que ofrezcan una mayor capacidad de absorción y una cinética más favorable, para lo que también se experimenta con el grado de fragmentación o dispersión de las partículas del hidruro. Los sistemas convencionales de

344


Tabla 23.4. Características para el almacenaje de hidrógeno de diferentes hidruros metálicos.

Capacidad de absorción de masa (%) Presión de equilibrio a 20 ºC Temperatura a 1 bar (ºC)

Nivel de sensibilidad a las impurezas en el hidrógeno Cinética de absorción/desorción

Hidruro de magnesio

Hidruro de paladio

Hidruro de Fe-Ti

Hidruro de Mg-Ni

Hidruro de Mn-Zr

Hidruro de Ni-La

7,6

0,72

1,86

3,6

1,77

1,5

-5

-3

10

1,8

-6

-3

10

8,2·10

4.1

10

279

147

-8

255

167

15

Altamente sensible al oxígeno y al agua

Sensible al CO

Altamente sensible al oxígeno, agua y CO

Relativamente baja sensibilidad

Sensible al SO2

Sensible al oxígeno, agua y CO

Muy lenta

Rápida

Rápida

Intermedia

Muy rápida

Muy rápida

almacenamiento en hidruros metálicos requieren altas temperaturas, entre 300-350 ºC, de las que no se dispone en las aplicaciones de transporte de las pilas de combustible donde son más habituales. Se está trabajando para obtener sistemas de baja temperatura con una capacidad de almacenamiento en peso de H2 del 3-5%, puesto que el principal problema es el gran volumen que ocupan y su peso con relación al combustible almacenado. Los hidruros de aleaciones metálicas son los que mejores resultados han dado. Los alanatos, hidruros de Al y Na, Figura 23.9, han ofrecido buenos resultados.

Figura 23.9. Imagen de microscopio electrónico de barrido de un cristal de hidruro de sodio y aluminio.

En el caso del hidruro de litio, se ha estudiado la posibilidad de que un fluido estabilizador mantenga el hidruro sin reaccionar y sea bombeable. En el momento de obtener el H2 se añade agua para iniciar la reacción: 2LiH + 2H2O ' 2LiOH + 2H2 El hidruro de litio agotado se podría regenerar en una planta específica. Nanotubos de carbón

Al igual que las microesferas de vidrio, este sistema tiene un coste muy alto y actualmente está en fase inicial de desarrollo. Esta tecnología se desarrolla sobre el descubrimiento de los nanotubos de carbono realizado por Sumio Iijima en 1991. Científicamente se considera que las nanoestructuras de carbono, concretamente a partir del grafito, pueden alcanzar una capacidad de almacenaje de hasta el 65%. Es una tecnología muy incipiente, dado que no se domina la formación de las nanoestructuras de carbono y los fundamentos de la capacidad de absorción de hidrógeno de los diferentes materiales tampoco han sido enteramente desvelados.

Transporte y distribución de hidrógeno El transporte por carretera para la distribución de hidrógeno como combustible jugaría un importante papel, tanto en la generación in situ del

hidrógeno como si se usan otros sistemas, como gaseoductos. En términos de viabilidad como combustible, el hidrógeno se debe comparar con


los combustibles de gran difusión actualmente, considerando la viabilidad económica, incluyendo los parámetros de seguridad. Hay muchas variables para hacer un cálculo estimativo del coste de transporte, por lo que los resultados son polémicos y discutidos por diversos estudios, aceptándose unánimemente la imprecisión de los resultados y las posibilidades de variar en función de los avances tecnológicos y los beneficios que pudiera reportar a las empresas. Según Eliasson y Bossel, a partir de los datos de las tres principales distribuidoras gasistas alemanas, es inviable la distribución de hidrógeno mediante camiones para abastecer las gasolineras por razones económicas y de seguridad. Estiman que una estación de servicio necesitaría la llegada de 21 camiones de 40 toneladas para vender 25 toneladas de combustible diariamente, en comparación con un solo camión de gasolina. Este tráfico supondría que, si hoy el 1% de camiones circulando son de gasolina o gasoil, aumentaría hasta el 17% los camiones que transportarían hidrógeno, y estadísticamente generarían uno de cada seis accidentes de carretera relacionados con camiones. El gráfico de la Figura 23.10 muestra comparativamente el coste energético del transporte de hidrógeno a presión, asumiendo los siguientes parámetros: •

La presión del gas para transportarlo en cisternas es de 200 bares en camiones de 40 toneladas que consumen de media 40 kg

•

345 de gasoil por cada 100 km, es decir, 1 kg de gasoil por cada tonelada de hidrógeno transportada cada 100 km. Las cisternas solo pueden vaciarse desde 200 bares a 42 bares aproximadamente, que es la presión a la que el gas deja de salir al abrir las válvulas sin bombear, por lo que el hidrógeno (y el metano) entregado en la estación de servicio ocuparía el 80% de la capacidad del tanque. Un camión presurizado a 200 bares puede suministrar 3,2 toneladas de metano pero solo entre 320 y 500 kg de hidrógeno, a causa de su baja densidad energética.

El transporte mediante gaseoductos está ampliamente extendido actualmente para el transporte de gas natural, pero esta red de transporte no podría utilizarse para el hidrógeno, ya que su diferencia de viscosidad provocaría muchas pérdidas por difusión. Para que el gas fluya por los gasoductos se instalan bombas cada 150 km aproximadamente, que se alimentan con el propio gas que impulsan, suponiendo este gasto el 0,3% aproximadamente en el caso del gas natural. No hay datos reales relativos al hidrógeno, por lo que los cálculos son una aproximación; se estima que el coste energético de las bombas supondría el 1,4% de la energía transportada en forma de hidrógeno cada 150 km. Si se desea mover a través de los conductos un flujo energético equivalente, el hidrógeno debería ser impulsado a mayor velocidad; es decir, para igual

Figura 23.10. Coste energético del transporte de gases.

346


flujo energético, el caudal de hidrógeno tendría que ser superior al de gas natural y por tanto la velocidad debería ser unas tres veces superior. Esto supondrá un mayor coste energético, que se representa en la Figura 23.10, como porcentaje consumido en el transporte del PCS de los gases.

ESTÁNDARES DE SEGURIDAD EN EL MANEJO DEL HIDRÓGENO El desarrollo y consolidación de estándares de seguridad son esenciales para la expansión del uso de las tecnologías de producción, almacenamiento y transporte del hidrógeno y sus aplicaciones. Se consideran necesarios para garantizar la seguridad y calidad a los usuarios. La ISO creó en 1990 el comité técnico 197 para cubrir las carencias de normalización en las tecnologías del hidrógeno, y en 1999 se publicaron las dos primeras normas

ISO respecto a los sistemas de llenado de hidrógeno líquido y la pureza del hidrógeno como combustible para pilas de combustible. En cuanto al almacenamiento de hidrógeno a bordo de vehículos, comprimido y líquido, se han autorizado diversos sistemas. Tanques de hidrógeno comprimido, entre 35.000 kPa y 70.000 kPa, han sido certificados de acuerdo a la ISO 11439 en Europa, el NGV en USA, el Reijukijun Betten en Islandia y aprobados por la TÜV alemana y el Instituto de Seguridad para Gases a Alta Presión japonés (KHK). Los tanques se han usado y comprobado en varios vehículos prototipos de pilas de combustible y ya se comercializan. Los tanques de 70.000 kPa de composite han demostrado un factor de seguridad de 2,35, como se requiere en las especificaciones del Proyecto Europeo Integrado del Hidrógeno.

Las pilas de combustible en la automoción Un proceso químico puede suministrar no solo calor sino también cualquier otra forma de energía, y si la reacción se lleva a cabo de manera que se produzca energía eléctrica, el sistema constituye una pila galvánica o pila voltaica. Puesto que en un proceso de oxidación se liberan electrones que se consumen en el proceso de reducción, una pila ha de consistir en un circuito eléctrico formado en parte por los conductores metálicos para la aparición, consumo y flujo de electrones, y en parte por conductores electrolíticos para el doble flujo de iones. Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en los que la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila. Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible, comúnmente hidrógeno, amoniaco o hidracina y un cátodo en el que se introduce un oxidante, normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrolito iónico conductor, que en muchas

ocasiones en una pila de combustible para automoción es una membrana intercambiadora de protones o electrolito polimérico (PEM, proton exchange membrane), que permite el paso de protones pero no de electrones. Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrólisis. Por ejemplo, en la electrólisis del agua, se separa este compuesto en sus dos componentes, hidrógeno y oxígeno, mientras que en una pila de combustible se obtendría una corriente eléctrica por medio de la reacción entre estos dos gases: Hidrógeno + oxígeno l electricidad + agua El sistema opera con dos tipos de gases, combustible y oxidante, que pasan a través de las superficies del ánodo y cátodo opuestas al electrolito, respectivamente, y generan energía eléctrica por oxidación electroquímica del combustible, generalmente hidrógeno, y la reducción electroquímica del oxidante, normalmente oxígeno. Se transforma entonces la energía química, almacenada en el enlace H-H de la molécula H2, en energía eléctrica y vapor de agua. La Figura 23.11 muestra el principio de funcionamiento de una pila de combustible de H2 para automoción.


347

Figura 23.11. Principio de funcionamiento de una pila de combustible de H2 para automoción.

Este nuevo concepto ofrece ventajas sustanciales sobre la tecnología clásica de combustión, no solamente por el aumento de la eficiencia hasta niveles del 30-40% sino también porque la única emisión producida es vapor de agua. De forma global, los automóviles que utilizan H2 como combustible son 22% más eficientes que los movidos por gasolina. Las pilas de combustible están constituidas por un conjunto de celdas apiladas, cada una de las cuales posee un ánodo o electrodo negativo y un cátodo o electrodo positivo, separados por un electrolito que facilita la transferencia iónica entre los electrodos. Cada una de las sustancias que participan en la reacción es alimentada a un electrodo distinto. Así, el combustible, generalmente rico en hidrógeno, es alimentado de forma continua al ánodo, y el oxidante, normalmente el oxígeno del aire, al cátodo. Allí los reactivos se transforman electroquímicamente, de acuerdo con las semirreacciones detalladas en la Fig. 23.11.

EL MECANISMO DE OXIDACIÓNREDUCCIÓN El funcionamiento básico de una pila tradicional está basado en la propiedad electroquímica de los materiales para oxidarse o reducirse. El esquema básico de una pila Daniell, esquematizada en la Figura 23.12, consta de: Electrodos. Son dos piezas de diferentes materiales que, sumergidos en sendas disoluciones de

sales que contienen sus cationes, se oxidan y reducen respectivamente generando un flujo de electrones que constituyen la electricidad. Habitualmente se utiliza para designar el conjunto de electrodo más electrolito o semicelda.

Figura 23.12. Celda de Daniell. (Fuente: http://www. geocities.com/bioelectrochemistry/daniell.htm).

Ánodo. Es el electrodo donde tiene lugar la reacción de oxidación, liberando electrones que fluirán a través de un material conductor, un cable eléctrico, hacia el cátodo. Puede ser de zinc. La oxidación del material provoca la liberación de electrones y por tanto los átomos de zinc quedan cargados positivamente, se repelen entre sí y se

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disgregan entrando a formar parte de la disolución que baña el electrodo. De esta manera el electrodo se va agotando a lo largo de la vida de la pila. Cátodo. Es el electrodo en el que ocurre la reacción de reducción, aceptando los electrones provenientes del ánodo. Puede ser de cobre. Los electrones cargan negativamente el cátodo, que atrae los cationes de cobre que hay en la disolución que baña al electrodo, formándose cobre metálico que se deposita en el cátodo. Electrolito. Es la disolución que baña los electrodos. Es una disolución salina del metal respectivo: en el ánodo una disolución de sulfato de zinc (ZnSO4) y en el cátodo una disolución de sulfato de cobre (CuSO4). El electrolito actúa en el cátodo como aporte de cationes de cobre que se van depositando en el electrodo, quedándose cargado negativamente por la presencia de aniones SO42-. Asimismo en el ánodo la liberación de cationes de zinc por parte del electrodo cargaría positivamente la solución e impediría, debido a la repulsión eléctrica, que la reacción de oxidación siguiera produciéndose. En ambos casos se debe conseguir la neutralidad de cargas en cada una de las semiceldas de la pila para que pueda seguir funcionando. Puente salino. Para conseguir la neutralidad de cargas es necesario permitir el paso de aniones hacia el ánodo y de cationes hacia el cátodo. Esto ocurre con un puente salino. El puente salino es un tubo que une los dos recipientes sin dejar circular ni mezclarse las dos disoluciones. Contiene un electrolito que puede ser KCl, NH4NO3, KNO3, etc., y que aporta, por ejemplo, cationes K+ a la solución catódica y aniones Cl- a la solución aniónica para mantener la neutralidad. La representación de esta celda voltaica se resume como: Zn (s)~ ZnSO4 (ac) ~~ CuSO4(ac) ~ Cu(s) Donde ~~ representa el puente salino que separa las dos semiceldas. Si se tiene en consideración solamente las especies que reaccionan: Zn (s)~ Zn2+ (ac) ~~ Cu2+ (ac) ~ Cu(s) En esta celda el tipo de electrodos (o semiceldas) utilizados son el de metal-ión metálico. Hay

otros tipos de electrodos, como el electrodo gasión, en el que un gas, típicamente hidrgeno, está en contacto con su ión mediante un conductor eléctrico inerte, típicamente platino, y que suponen la base de funcionamiento de las pilas de combustible. Cuando actúa como ánodo, sigue la siguiente reacción: H2 (g) o 2 e- + 2 H+ (ac) Pt (s) ~ H2 (g) 1atm ~ H+ (ac) 1M

E=0V

Si actúa como cátodo: 2 H+ (ac)+ 2 e- o 2 H2 (g) H+ (ac) 1M ~ H2 (g) 1atm ~ Pt (s)

E=0V

Este electrodo es asimismo el considerado como base para el cálculo del potencial redox (reducción-oxidación) del resto de substancias, y se le ha asignado el potencial 0 en condiciones estándar tanto si actúa de ánodo como de cátodo. De esta manera se miden los potenciales estándar de electrodo o potenciales de reducción estándar (Eº) de diversos materiales y se puede obtener la diferencia de potencial de una pila sin medirlo directamente, a partir de los Eº de cada uno de sus electrodos. En caso de que la E resultara negativa, supondría que la reacción no se puede producir de manera espontánea, sino que necesita de energía externa para poderse realizar. Los materiales utilizados como electrodos actuarán como cátodo o ánodo según su potencial redox respectivo, es decir, en función de su capacidad reductora, o tendencia a oxidarse de cada material respecto al otro. As, el zinc actuar como ánodo en combinación con un cátodo de cobre pero actuar como cátodo en combinación con un ánodo de litio. Asimismo, el cobre trabajar como ánodo en combinación con un electrodo de plata, que actuar como cátodo. Con respecto a los electrodos estándar de hidrógeno (EEH), el zinc actuar como ánodo, teniendo un Eº negativo, y el cobre como cátodo, teniendo un Eº positivo. Cuanto mayor sea la capacidad reductora del ánodo y mayor la del oxidante del cátodo a ceder y aceptar, respectivamente, electrones, mayor ser la


fuerza electromotriz de la pila (fem). Esta fem se podr apreciar con un voltímetro en el conductor como la diferencia de potencial eléctrico o voltaje (E)2. Merece mencionarse que la unidad básica, la celda electroquímica, recibe por asimilación el nombre de pila de combustible. Sería más correcto especificar que el apilamiento de diversas celdas electroquímicas forma lo que se denomina un stack, que a su vez pueden ser conectados en paralelo para obtener la potencia deseada de lo que comercialmente se entiende por pila de combustible.

ELECTROQUÍMICA Y PILAS DE COMBUSTIBLE Por la teoría básica de las pilas se deduce que existe una íntima interrelación entre materia y electricidad. Así, los núcleos atómicos están cargados positivamente y todos los iones tienen carga eléctrica positiva o negativa. Las pilas de combustible de hidrógeno son dispositivos que producen electricidad y agua mediante el proceso inverso a la electrólisis. La pila de combustible consta básicamente de una membrana intercambiadora de protones. En el seno de la misma, una segunda pared recubierta de platino disocia previamente el hidrógeno procedente de una fuente, en protones y electrones. Estos reaccionan al contacto con el oxígeno procedente del aire exterior para formar agua a través de un proceso de reacción fría. El exceso y déficit de electrones y protones inherente a la reacción origina terminales positivos y negativos que al ser conectados producen electricidad. La electricidad generada al conectar los terminales positivos y negativos en la pila de combustible nutre los motores eléctricos que animan el vehículo. En la pila galvánica se consumen los electrodos y el electrolito y una vez agotados deben ser eliminados o recargados con electricidad. En la pila de combustible, en cambio, esta continuará funcionando mientras se aporten hidrógeno y oxígeno, que constituyen los reactivos, y se generan los productos de la reacción, agua. Las pilas de combustible no constituyen una novedad. La primera pila de combustible fue construida en 2

349

1839 por Sir William Grove, pero no fue sino hasta 1960 cuando fueron escogidas por el programa espacial norteamericano para proporcionar electricidad a las aeronaves Gemini y Apollo, y aún continúan usándose para producir electricidad y agua en los programas espaciales.

FUNCIONAMIENTO DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE Comparadas con las técnicas tradicionales de generación de energía que usan procesos de combustión antes de convertir el combustible en calor y energía mecánica, las pilas de combustible convierten la energía química del combustible directamente en energía eléctrica sin procesos de conversión intermedios. Más del 80% de la energía obtenida a partir de combustibles en las pilas de combustible pueden ser convertidos en electricidad y calor útil, además, pueden operar a la mitad de su capacidad sin disminuir su alta eficiencia de funcionamiento. Las pilas de combustible trabajan como una batería, con la diferencia de que jamás se descargan ya que en la medida en que se les suple hidrógeno y oxígeno, se mantendrán produciendo electricidad indefinidamente. En las pilas de combustible denominadas PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), el hidrógeno llega a la membrana polimérica PEM sobre la que se ha depositado una fina capa de electrocatalizador (normalmente a base de Pt). El electrocatalizador descompone el hidrógeno en protones y electrones. La membrana permite el paso de los protones pero no de los electrones, por lo que mientras los protones atraviesan la membrana, los electrones circulan por un circuito exterior produciendo un trabajo eléctrico. Por el cátodo se imtroduce oxígeno, que se disocia atrayendo los electrones que vienen a través del circuito exterior generando iones negativos. Estos reaccionan con los protones que vienen por la membrana, produciéndose agua y calor. Como las pilas de combustible se basan en procesos químicos y no de combustión, las emisiones de este tipo de sistemas son mucho más pequeñas que las emisiones de los más limpios procesos de

El voltaje, potencial eléctrico o fuerza electromotriz, hace referencia a la fuerza con la que pasan los electrones (1 V = 1 J/1 C). La intensidad eléctrica hace referencia a la cantidad de electrones que forman el flujo eléctrico y su unidad de medida es el amperio (A).

350


combustión. Comparadas con las convencionales fuentes de energía, estas pilas son excepcionalmente limpias y eficientes. Su único residuo es agua; de hecho, en algunos tipos de pilas de combustible, dependiendo de qué tipo de electrolito se use, el agua producida es totalmente potable. Para que el funcionamiento de estos dispositivos sea operativo, se deben utilizar catalizadores y electrolitos que solo actúan con hidrógeno muy puro, que resulta caro de producir y complicado de almacenar y transportar. El hidrógeno es además un elemento muy volátil y en determinadas circunstancias peligroso. Por todo ello, para que las pilas de combustible puedan llegar a implantarse masivamente, deberán utilizar otro tipo de combustibles. Uno de estos candidatos es el alcohol metílico o metanol. El metanol es además compatible con los actuales sistemas de transporte de combustibles y ya se usa en algunos motores. Sin embargo, la oxidación del metanol contamina la superficie del electrodo catalítico (platino) en las pilas. Por eso, los científicos están desarrollando nuevos catalizadores formados por aleaciones más apropiadas, aleaciones

que contienen varios elementos, incluido el iridio, el propio platino y otros. Las pilas en las que se utiliza una disolución acuosa de metano son llamadas DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), y pueden considerarse un desarrollo de las PEMFC. En ellas el metanol al llegar a la membrana polimérica PEM, sobre la que se ha depositado una fina capa de electrocatalizador, se descompone en protones, electrones y una molécula de CO2, única emisión de todo el proceso. Por lo demás el proceso es semejante a la pila PEMFC. La membrana permite el paso de los protones pero no de los electrones, por lo que mientras los protones atraviesan la membrana, los electrones circulan por un circuito exterior produciendo un trabajo eléctrico. También por el cátodo, se introduce oxígeno que se disocia atrayendo los electrones del circuito exterior, formando iones negativos que reaccionan con los protones que vienen por la membrana, produciéndose agua y calor. Dependiendo del tipo de pilas de combustible, se obtienen eficacias entre un 35% y hasta un 60%. El problema actual reside en la duración de las pilas y en los costes.

Comportamiento ideal de la pila de combustible de electrones por el circuito externo, que depende de la carga eléctrica Q transportada y la fuerza electromotiz de la celda E según la siguiente expresión:

La energía, definida como la capacidad de producir un trabajo W, permite realizar las siguientes precisiones: •

•

Al darse una reacción espontánea a presión y temperatura constantes, como sucede con la oxidación/reducción en una pila, se libera una energía que se expresa como una variación de entropía ('S) negativa. No toda esta energía liberada podrá ser aprovechada puesto que parte será destinada a las reacciones que se producen según su entalpía ('H). La energía que queda “libre” para poder realizar trabajo es la variación de la energía libre de Gibbs (ΔG), que a P y T constantes será el máximo trabajo útil: 'G = - Wútil máx (P y T constantes)

•

En las celdas voltaicas, el W aprovechable será el trabajo eléctrico derivado del paso

W eléctrico = Q · E Para 1mol, la carga es de 1 faraday, y para n moles será: Weléctrico = n·F·E •

Teniendo en cuenta la ecuación isoterma de una reacción: 'G = 'Gº + R·T·ln K

Donde 'Gº energía libre de Gibbs estándar en el estado de referencia y K representa el cociente de la reacción y se expresa como relación de las concentraciones o presiones parciales de los

351


productos y reactivos, según su estado físico, y teniendo en cuenta: 'G = - n·F·E 'Gº = - n·F·Eº se obtiene la ecuación de Nernst:

Los sistemas de pilas de combustible se caracterizan por sus reducidas emisiones. Si solo se utiliza hidrógeno (derivado de fuentes renovables) como combustible en las celdas, se obtendrá vapor de agua y electricidad. La utilización de hidrocarburos para la producción de hidrógeno eliminaría prácticamente las emisiones de óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono. Considerando que sus eficacias son potencialmente superiores a las de los motores de combustión interna, las emisiones de dióxido de carbono se verían además reducidas.

La máquina de vapor ideal fue descrita por Carnot, y está basada en el proceso cíclico de la expansión isotérmica con aporte de calor a temperatura más elevada, seguido de expansión adiabática, compresión isoterma con liberación de calor a menor temperatura y compresión adiabática. Las dos temperaturas, T1 y T2, ayudan a expresar la máxima eficiencia de este proceso cíclico, K, que es la relación entre la energía mecánica ganada a partir de la energía calorífica empleada: η = (T1 - T2) / T1 El ciclo de Carnot asume que el proceso lo realiza un gas ideal y que el ciclo es reversible, pero en la práctica el comportamiento es diferente y las eficiencias son menores. Las pilas de combustible permiten la conversión directa de energía química a eléctrica y su máxima eficiencia K teórica es la relación entre ΔG y la entalpía, puesto que la energía de Gibbs es la energía teóricamente disponible para generar el trabajo máximo útil y ΔH es la energía total contenida en el combustible y como: ΔG = ΔH – TΔS Se obtiene para K

La Tabla 23.5 compara la eficiencia teórica de diversos métodos de generación eléctrica. Tabla 23.5. Eficiencia de los diversos sistemas de generación de electricidad. Fuente de energía Hidroeléctrica Fotovoltaica Solar térmica Turbinas: - de gas - de vapor Aerogeneradores Nuclear Combustión interna (ignición) Combustión interna (diesel) Ciclo combinado Ciclo combinado de gasificación Pila de combustible de H2

? termodinámica (%) 70 - 90 7 - 18 10 - 25 15 - 65 20 - 38 30 - 45 32 - 34 25 - 35 35 - 47 50 - 55 40 - 52 50 - 60

COMPORTAMIENTO REAL DE LA PILA DE COMBUSTIBLE Para determinar el comportamiento real se necesitan modelos informáticos complejos, aunque para simplificar la modelización se pueden aplicar ajustes a un funcionamiento de referencia en condiciones de operación conocidas. En este caso existen pérdidas irreversibles, también conocidas como polarización (h) que hacen que el potencial de celda real disminuya respecto de su potencial de equilibrio: V = E - Pérdidas

352


Las polarizaciones pueden ser de tres tipos: de activación (hact), óhmica (hohm) y de concentración (hconc). El comportamiento de las pilas de combustible viene determinado por diversas variables: presión, temperatura, densidad de corriente, impurezas, etc., por lo que conviene seleccionar las mejores condiciones para obtener un rendimiento óptimo en función de la operación: vehículos, plantas de potencia estacionaria, etc.

CONSUMO DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE El grado de utilización (U) se define como el cociente entre el combustible consumido (H2,entrada H2,salida) y el combustible de entrada. Determinar U en las pilas de baja temperatura es relativamente fácil, ya que el H2 es el único combustible. Sin embargo, el H2 puede consumirse por otros caminos: fuga hacia el exterior, reacción química, etc., lo que incrementa su consumo sin que ello contribuya proporcionalmente a la producción de energía eléctrica. En las pilas de alta temperatura, el CO también puede utilizarse como combustible: CO + H2O ' H2 + CO2

Tabla 23.6. Parámetros de operación de un stack de PEMFC. Número de celdas

70 Nominal Rango Eléctrico

Potencia del stack, kW

2,5

2,35-2,65

Intensidad del stack, A

81

78 - 86

Voltaje stack, V

31

29 - 33

Eficiencia eléctrica (%)

>45

Presión del aire, bar (g)

1,5

1,5 – 2,0

Presión del hidrógeno, bar (g)

1,5

1,5 – 2,0

λ-Aire

3,0

2,0 – 4,0

λ-H2

2,0

1,5 – 2,5

Caudal aportado de hidrógeno, Nm3/h

3,6

3

Caudal consumido de hidrógeno, Nm /h 1,8 Caudal aportado de aire, Nm3/h 3

12,9

O2 consumido, Nm /h

1,0

Agua producida, kg/h

1,4 Mecánico

Dimensiones del stack, mm

185,7 x 213,7 x 531,2

Ambiente Temperatura de operación, °C

20 - 50

Humedad, (RH)%

0 - 90

En este caso, U viene definido por la relación entre el H2 consumido y el combustible de entrada (H2,ent + COent). A medida que se consume el H2, la reacción se desplaza a la derecha, ya que el H2O y el CO2 se producen en igual cantidad. Los datos contenidos en la Tabla 23.6 corresponden a una pila de combustible PEMFC comercializada por IRD Denmark (Figura 23.13), y que forman parte de un elemento o stack del sistema de cogeneración de 50 kW.

Figura 23.13. Stack de IRD Denmark a partir del que comercializan sistemas de 50 kW.

Figura 23.14. Sistema de cogeneración de 50 kW a partir de stacks unitarios.

353

Las pilas de combustible Tabla 23.7. Parámetros de operación de un sistema de cogeneración de 50 kW. Tipo de stack

FC2500 (el anteriormente descrito)

Cantidad de stacks

20

Total de energía generada, calor y electricidad, kW

100

Potencia eléctrica del stack, kW

50

Intensidad del stack, ADC

81

Voltaje del stack, VDC

620

Eficiencia del stack, %

>45

Presión del aire, bar(g)

1,5

Presión del hidrógeno, bar(g)

1,5

λ- Aire

3,0

λ-H2

2,0

Caudal aportado de hidrógeno, Nm3/h

72

Caudal consumido de hidrógeno, Nm3/h

36

3

Caudal aportado de aire, Nm /h 3

258

Caudal consumido de aire, Nm /h

20

Agua producida, kg/h

28

Ambiente Temperatura de operación, °C

20 - 50

Humedad, (RH)%

0 - 90

Mecánico Dimensiones del generador, mm

Los parámetros de la Tabla 23.6 corresponden al elemento o stack del sistema de cogeneración de 50 kW de potencia. La Figura 23.14 corresponde a una foto del ensamblaje de un conjunto de stacks unitarios para formar una pila de combustible que suministra 50 kW eléctricos. Los parámetros de la Tabla 23.7 corresponden al sistema de cogeneración de 50 kW de potencia.

2.024 x 1.546 x 746

Así pues, una pila de combustible puede operar a diferentes densidades de corriente (en A/m2). La tensión de la celda determina la eficiencia de la pila de combustible: si disminuye la densidad de corriente, aumenta la tensión y se incrementa la eficiencia de la celda. Si se reduce la densidad de corriente, el área debe aumentar para obtener la potencia requerida.

SISTEMA DE PILA DE COMBUSTIBLE LA EFICIENCIA REAL DE LA PILA DE COMBUSTIBLE La eficiencia térmica también se puede expresar como la relación entre la tensión de la pila en operación y la tensión ideal. Para una celda electroquímica de hidrógeno: V

ideal

(1 atm, 25 ºC) = 1,229 V

El sistema generador de electricidad tiene principalmente tres componentes: procesador del combustible, generador y acondicionador de potencia. Procesador del combustible

Transforma el combustible en el gas apropiado para el correcto funcionamiento de la pila en función del tipo del que se trate.

354


En las PEMFC, pilas de combustible de membrana de polietileno, por ejemplo, el gas debe ser muy rico en hidrógeno con el menor grado de impurezas posible para evitar el envenenamiento del catalizador de platino. Las impurezas que se pueden encontrar habitualmente son CO, NOx, NH3, compuestos de azufre y compuestos halogenados. En caso de no procesarse el combustible in situ, el depósito de combustible debe considerarse también una parte del sistema. Generador de potencia

Es la propia pila de combustible. Transforma la energía química del combustible en energía eléctrica. La potencia generada depende del número de celdas apiladas y de la densidad de potencia y voltaje que proporcione ese tipo de pila. Acondicionador de potencia

LAS PILAS DE COMBUSTIBLE DE METANOL El metanol es uno de los productos químicos más importantes y muchos investigadores le aseguran un brillante futuro. La Tabla 23.8 muestra las principales propiedades comparadas con las del hidrógeno. Tabla 23.8. Propiedades comparadas del hidrógeno y del metanol. 3

Densidad (kg/Nm )

Se puede transformar industrialmente para la obtención de hidrógeno. Se puede utilizar como combustible en los depósitos de las pilas de combustible, con las ventajas que un líquido tiene sobre un gas en cuanto a manipulación y transporte, y ser transformado in situ para la obtención del hidrógeno necesario para las pilas.

Actualmente, el metanol se obtiene a partir del gas natural; es por lo tanto un combustible de origen fósil. Sin embargo, se puede obtener metanol a partir de otros gases que contengan metano u otros gases hidrocarbonados, que es el compuesto principal del gas natural. Los gases de vertedero (biogás), o el gas de síntesis que se produce mediante la gasificación de biomasa, pueden dar origen a metanol mediante un proceso industrial, tal como muestra la Figura 23.15.

Metanol

0,0899

810

Densidad relativa

0,07

1,11

PCI (kWh/kg)

33,33

6,29

4 – 75%

6 – 36,5%

Umbral inferior de inflamabilidad (μJ)

20

140

Temperatura de inflamabilidad (ºC)

500

464

Estado a condiciones normales

Gas

Líquido

Límite de explosividad en el aire (%)

• •

Las pilas generan en corriente continua, si bien se puede acondicionar a corriente alterna, ajustar el nivel de voltaje e imponer un nivel de armónicos determinado. Comercialmente se considera una pila de combustible a todo el sistema.

Propiedad

En comparación con las gasolinas su temperatura de destello y de inflamabilidad es superior. En un futuro no lejano la utilización del metanol en el transporte requerirá de pocas transformaciones ya que puede usarse directamente como combustible para alimentar pilas de combustible. Aunque no relacionado con los biocarburantes que sustituyen a los carburantes convencionales, gasolina y gasoil, el biometanol, entendido como metanol extraído de biomasa (carburante de segunda generación), es de gran importancia desde el diseño y para el desarrollo de las pilas de combustible en automoción. Algunas pilas de combustible utilizan directamente metanol y, sobre todo, la importancia radica en que es una fuente de hidrógeno:

Figura 23.15. Procesos de obtención de metanol.

355


Tomando como ejemplo la digestión anaerobia de residuos, este proceso se puede resumir en tres etapas: • Digestión de la biomasa: se pueden gasificar restos vegetales o digerir anaerobiamente restos orgánicos de procedencia animal y vegetal, como por ejemplo los residuos orgánicos municipales. Este proceso responde a la reacción básica: C6H13O5 + H2O o COOH-(CH 2)n-CH3 o CH4 + CO2 En el digestor se produce un biogás con una composición aproximada de un 65% de CH4, un 34% de CO2 y un 1% de trazas de otros gases, como NH3 y H2S. • Obtención de hidrógeno: después de depurar el gas con sosa para eliminar los compuestos de azufre, que ocasionan problemas de corrosión, el gas se eleva a una temperatura de 700 ºC junto a vapor de agua supercalentado, que hace reaccionar el metano según las reacciones:

se produce la reacción catalítica de síntesis de metanol, que opera a unos 200 ºC de temperatura y alta presión con catalizadores basados en níquel, liberando calor: CO + 2H2 o CH3OH CO2 + 3H2 o CH3OH + H2O De esta manera se puede simplificar el proceso globalmente como esquematiza la Figura 23.16. Existen ya en el mercado prototipos de automóviles que funcionan con pilas de combustible de hidrógeno, en cuyo interior disponen de una “pequeña refinería para la sintetización del hidrógeno a partir del metanol.

CH4 + H2O o 3H2 + CO CH4 + 2H2O o 4H2 + CO2 Mediante el control de la temperatura y la elección del catalizador se mantiene la reacción inversa del gas de agua, o más conocida como water gas shift reaction (WGSR), para conseguir una ratio de H2 y CO2 favorable a la síntesis de metanol, idealmente 2H2:CO. La WGSR se describe como: CO2 + H2 ' CO + H2O El biogás contiene una gran proporción de CO2 de la que no dispone el gas natural que aporta los elementos para la WGSR sin necesidad de añadir este gas; es por tanto más apropiado en este aspecto. • Síntesis de metanol: a partir de estos gases, después de eliminar el CO2 en un scrubber,

Figura 23.16. Síntesis del H2 in situ a partir del metanol.

El metanol es un líquido y, si en el futuro pudiese usarse como carburante “portador de hidrógeno, sería posible conservar toda la infraestructura actual de tuberías, sistemas de transporte y almacenamiento. No obstante se están llevando a cabo muchos esfuerzos para que la pila de metanol sea directamente operativa sin necesidad de conversión alguna. La Tabla 23.9 expone una comparativa energética de diversos carburantes en relación al hidrógeno. El coste de almacenamiento del hidrógeno comprimido, en 2007, rondaba los 725 €/kg, en cambio en el caso del metanol, el depósito es sensiblemente igual al petrocarburante convencional.

Tabla 23.9. Comparativa energética del H2 con diversos carburantes. Gasolina

=

Metano

Metanol

2,78 kg

2,80 kg

2,40 kg

6,09 kg

1 kg H2 líquido

0,268 l

0,236 l

-

0,431 l

1 kg H2 (350 bar)

0,0965 l

0,085 l

0,24 l

0,191 l

1 kg H2

356


Ventajas y futuro de las pilas de combustible Esta tecnología está mejorando de forma vertiginosa y generando gran expectación entre científicos y empresarios por su potencial de no emisión de dióxido de carbono (CO2) y la revolución que supondría para la economía global. Sin embargo, los automóviles con pilas de combustible todavía no se están comercializando a gran escala fundamentalmente por el alto coste de estos vehículos. Los planes de infraestructura también requieren atención a la hora de construir estaciones de servicio para repostar combustible a lo largo de toda la geografía. En octubre de 2002 se creó un grupo de alto nivel (auspiciado por el Consejo de la UE) sobre el hidrógeno y las pilas de combustible. A este grupo se le encargó que redactase el documento “La energía del hidrógeno y las pilas de combustible”. En dicho documento se deberían reflejar las actividades de investigación y de tipo no técnico necesarias para pasar de la actual economía basada en la energía de los combustibles fósiles a una futura economía sostenible orientada al hidrógeno con convertidores de energía de pilas de combustible. En este informe se forjan una serie de pautas para realizar una planificación estratégica futura y recomendaciones para profundizar los esfuerzos en investigación, desarrollo de las tecnologías del hidrógeno y de las pilas de combustible, con el fin de allanar el camino hacia una economía del hidrógeno sostenible. De manera rápida las principales ventajas se pueden enunciar como: • • • •

• • • •

Se trata de una tecnología limpia, no contaminante. Eficiencia de la conversión energética elevada. Funcionamiento silencioso (no hay partes móviles). Eliminación del impacto ambiental derivado de las industrias de extracción de la minería energética. Simplicidad en la concepción. Entrada rápida en potencia. Tiempo de funcionamiento elevado. Posibilidad de empleo con diferentes com-

• • • •

bustibles. Amplio rango de temperaturas de operación. Posible empleo de tecnologías complementarias (integración en sistemas híbridos). Tecnología económica. Diseño flexible.

Junto a ello hay que destacar los inconvenientes presentes, a finales de 2007: • • • •

Elevado coste de obtención del hidrógeno puro. Elevado coste de almacenamiento y suministro del combustible. Coste elevado de los componentes. Sensibilidad hacia los componentes que envenenan los catalizadores.

BENEFICIOS MEDIOAMBIENTALES * + bustible

El hecho de la conversión directa del combustible a energía a través de una reacción electroquímica, hace que las pilas de combustible puedan producir más energía eléctrica o mecánica con la misma cantidad de combustible si se compara con una combustión tradicional. El proceso directo hace que las eficiencias puedan alcanzar entre 30% y 90%, dependiendo del sistema de pila de combustible, y además se puede emplear el calor adicional producido. La generación de energía basada en la combustión convierte previamente el combustible en calor, y después a energía mecánica limitándose el proceso por la ley de Carnot de la Termodinámica, la cual produce movimiento o conduce a que las turbinas produzcan energía. Los pasos adicionales implicados en la combustión hacen que la energía se escape en forma de calor, fricción y otras pérdidas de conversión, provocando una disminución de la eficiencia del proceso global. Las pilas de combustible, al no ser máquinas térmicas, su rendimiento no viene limitado por el ciclo de Carnot y se puede alcanzar teóricamente el 100%. Únicamente las limitaciones en el


aprovechamiento de la energía generada y en los materiales empleados en su construcción impiden alcanzar este valor.

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Emisión cero de contaminantes

Cuando el combustible es hidrógeno, los productos obtenidos en la reacción electroquímica catalizada de la pila de combustible entre el hidrógeno y el oxígeno son agua, calor y electricidad, en lugar de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otras partículas inherentes a la combustión de combustibles fósiles. Para extraer hidrógeno puro, los combustibles fósiles deben pasar primero por un reformador. En este proceso las emisiones de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otros contaminantes, son solamente una fracción de aquellos producidos en la combustión de la misma cantidad de combustible. Reducción del peligro medioambiental inherente de las industrias extractivas

Las pilas de combustible no producen el deterioro ambiental asociado a la extracción de combustibles fósiles de la Tierra cuando el hidrógeno es producido a partir de fuentes renovables. Si se produce un escape de hidrógeno, éste se evaporará de forma instantánea debido a que es más ligero que el aire. Esta sería una solución para paliar el dramático legado dejado en nuestro planeta debido a las perforaciones petrolíferas, el transporte, el refino y los productos de desecho asociados.

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Funcionamiento silencioso

Al carecer de partes móviles, se ha estimado que el nivel de ruido a 30 metros de una pila de combustible de tamaño medio es únicamente de 55 decibelios. Es por ello que deberían usarse pilas de combustible en recintos urbanos.

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BENEFICIOS EN LA INGENIERÍA DE PILAS DE COMBUSTIBLE Las principales ventajas se pueden resumir en: •

Admisión de diversos combustibles. Cualquier combustible, si incluye hidrógeno en su composición puede, ser reformado. Pueden emplearse para este proceso, por ejem-

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357 plo, gas natural, carbón gasificado, gasóleo o metanol. Altas densidades energéticas. La cantidad de energía que puede generar una pila de combustible por volumen de combustible es alto y continúa aumentando conforme se realizan nuevas investigaciones y desarrollos. Bajas temperaturas y presiones de operación. Las pilas de combustible, dependiendo del tipo de estas, operan desde 80 ºC a más de 1.000 ºC. Estos números parecen ser altos, pero hay que recordar que la temperatura con motores de combustión interna pueden sobrepasar estas temperaturas. Flexibilidad de emplazamiento. Las pilas de combustible, con su inherente operatividad sin ruidos, emisión cero y requerimientos mínimos, pueden instalarse en multitud de lugares, de interior o exterior, residenciales, industriales o comerciales. Capacidad de cogeneración. Cuando se captura el calor residual generado por la reacción electroquímica de la pila de combustible, este puede emplearse, por ejemplo, para calentar agua o en aplicaciones espaciales para calentar el propio vehículo. Con las capacidades de cogeneración, la eficiencia de una pila de combustible puede alcanzar el 90%. Rápida respuesta a variaciones de carga. Para recibir energía adicional de la pila de combustible, se debe introducir más combustible en el sistema. La respuesta de la carga en la pila es análoga a la presión que se realiza en el acelerador del vehículo convencional, a más combustible, más energía. Carácter modular. La construcción modular supone una menor dependencia de la economía de escala. La disponibilidad de las pilas de combustible como módulos independientes supone una ventaja adicional, ya que un cambio de escala en la potencia requerida se consigue fácilmente mediante la interconexión de módulos. Simplicidad del dispositivo. Las pilas de combustible carecen de partes móviles. La falta de movimiento permite un diseño más

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simple, una mayor fiabilidad y operatividad y un sistema que es menos propenso a estropearse.

SEGURIDAD ENERGÉTICA El hidrógeno usado como combustible en las pilas de combustible puede ser producido a escala doméstica a través del reformado de gas natural, electrólisis del agua o fuentes renovables como la eólica o la fotovoltaica. La generación de energía a este nivel evita la dependencia de fuentes extranjeras que pueden localizarse en regiones del mundo inestables. El rápido consumo de los combustibles fósiles que la sociedad moderna requiere para el estado de vida actual está acabando con un recurso limitado. La utilización del hidrógeno, el elemento más abundante en el Universo, es ilimitada. La transición hacia una economía del hidrógeno es posible y evitaría los problemas asociados al agotamiento del petróleo.

INDEPENDENCIA DE LA RED DE SUMINISTRO ENERGÉTICO Un sistema de pilas de combustible residencial permite una independencia a sus habitantes respecto a la red de suministro eléctrico, la cual puede tener irregularidades. Una de estas serían los cortes de corriente que pueden causar daños importantes a sistemas informáticos, a equipamientos electrónicos y en general a la calidad de vida de las personas.

PILAS DE COMBUSTIBLE FRENTE A BATERÍAS TRADICIONALES Las pilas de combustible ofrecen una reducción en el peso y en el tamaño para la misma cantidad de energía disponible respecto a las baterías tradicionales. Para incrementar la energía en una pila de combustible, simplemente debe introducirse más cantidad de combustible en el dispositivo. Para aumentar la energía de una batería, se deben adicionar más baterías viéndose incrementado el coste, el peso y la complejidad del sistema. Una pila de combustible nunca se agota, mientras haya combustible continúa produciendo electricidad. Cuan-

do una batería se agota debe experimentar un largo e inconveniente tiempo de recarga para reemplazar la electricidad gastada. Dependiendo de donde se genere la electricidad, la contaminación, los costes y los problemas en cuanto a la eficiencia se transfieren desde el emplazamiento de las baterías a la planta generadora central. Un informe del consultor financiero Pricewaterhouse Coopers predijo que la industria de pilas de combustibles supondrá un valor de 46.000 millones de dólares en el ámbito mundial en el año 2011. Se ha estimado además que para el año 2020 el mercado potencial de pilas de combustible será de 145.000 millones de dólares y se crearán 15.000 empleos por cada mil millones de dólares demandados en esta tecnología. Islandia es el país que más esfuerzos realiza para constituirse en la primera economía de hidrógeno del mundo. De hecho, planea producir, en una primera fase, hidrógeno a partir de agua y abastecer así a todo el país y en el futuro convertirse en exportador. Además ha realizado una enorme inversión para que todo el transporte público se propulse por medio de este combustible.

PILAS DE COMBUSTIBLE EN EL TRANSPORTE La legislación ambiental, cada vez más, fuerza a los fabricantes de automóviles a sustituir aquellos vehículos que produzcan gran cantidad de emisiones contaminantes. La tecnología de pilas de combustible ofrece una oportunidad tangible para alcanzar este requerimiento. Investigaciones llevadas a cabo en el Pembina Institute for Appropriate Design de Alberta (Canadá) han mostrado que la cantidad de dióxido de carbono procedente de un coche pequeño puede reducirse hasta en un 72% cuando se emplea una pila de combustible de hidrógeno obtenido a partir de gas natural en lugar de un motor de combustión interna de gasolina. Sin embargo, si las pilas de combustible reemplazan a los motores de combustión interna, la tecnología deberá no solo satisfacer la estricta legislación sobre emisiones, sino que también aportarán soluciones para el transporte. Las pilas de combustible que utilicen los vehículos serán capaces de alcanzar las temperaturas operativas con rapidez,


proveer una economía competitiva de combustible y ofrecer unas prestaciones aceptables. Las pilas de membrana polimérica (PEM) son las más adecuadas para cumplir estos requerimientos. Con una baja temperatura de funcionamiento, alrededor de 80 °C, las PEM pueden alcanzar rápidamente la temperatura operativa. Estas pilas pueden ofrecer una eficacia superior al 60% comparada con el 25% que se consigue con los motores de combustión interna. Investigaciones efectuadas en el Pembina Institute indican que los vehículos que emplean metanol como combustible pueden alcanzar eficiencias de 1,76 veces las de vehículos impulsados por un motor de combustión de gasolina. Las pilas de combustible PEM tienen además la mayor densidad energética de entre todas las actuales pilas de combustible, un factor crucial a la hora de considerar el diseño de vehículos. Además, el electrolito polimérico sólido ayuda a minimizar la corrosión y evitar problemas de gestión. Un posible inconveniente es la calidad del combustible. Para evitar el envenenamiento catalítico a esta baja temperatura de funcionamiento, las pilas PEM necesitan hidrógeno no contaminado como combustible. La mayoría de los fabricantes de automóviles ven las pilas PEM como sucesoras de los motores de combustión interna. General Motors, Ford, DaimlerChrysler, Toyota, Honda (Figura 23.17), entre otros, disponen de prototipos con esta tecnología. Los ensayos en carretera han sido positivos empleando distintos vehículos y escenarios. Se han realizado con éxito ensayos en autobuses impulsados con pilas PEM en Vancouver y Chicago. Se están llevando a cabo experiencias similares en distintas ciudades de Alemania junto con otras diez ciudades europeas, incluida Madrid. Actualmente, el problema principal para impulsar esta tecnología en el sector del transporte reside en el elevado coste de fabricación, la calidad del combustible y el tamaño de la unidad. Las investigaciones realizadas en este ámbito parece que han optado por emplear metanol como fuente de combustible y utilizar el oxígeno del aire. Este hecho podría eliminar el proceso de reformado del combustible. Algunos autores estiman que en unos 30 años los parques automovilísticos de los países desarro-

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llados (actualmente con más de 750 millones de unidades incluyendo turismos, autobuses y camiones) contarán con más vehículos con motor eléctrico alimentado por pila de combustible que con motor de combustión interna.

Figura 23.17. Motor del Honda FCX Clarity con pila de combustible de hidrogeno.

EL FUTURO DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE Uno de los principales problemas de la industria generadora de electricidad, y en el caso de aplicar la electricidad directamente a la automoción todavía más, es la variabilidad de la demanda, que se traduce en picos y valles de difícil predicción y solución. El almacenamiento de energía en forma de hidrógeno, además de resultar de menor complejidad que el actual entramado eléctrico, puede ayudar a reducir este problema fundamental en el suministro. El empleo de hidrógeno como combustible ofrece la posibilidad de construir estaciones de abastecimiento y repostado de producción doméstica e industrial. La producción puede ser fácilmente adaptada a la demanda, cubriéndose de este modo los posibles huecos de suministro energético. La manifestación de los principales gobiernos de los países industrializados indica una clara apuesta por la transición a la economía del hidrógeno. Los japoneses parecen ser los más proclives al desarrollo industrial de pilas de combustibles destinadas a la automoción. Así, en el 2008 iniciaban

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la comercialización de unas pocas unidades del Honda FCX Clarity en régimen de leasing a 600 $ al mes durante tres años en la región de California. Este coche tiene un depósito de 171 litros de capacidad, lo que le otorga una autonomía de 570 ki-

lómetros y una velocidad punta de 160 kilómetros por hora. La previsión es iniciar la producción en masa de estos vehículos en unos 10 años, después de que los costes de producción bajen.

Los carburantes de segunda generación

24

EL FUTURO PARECE RADICAR EN LOS BIOCARBURANTES DE SEGUNDA GENERACIÓN, EN ESPECIAL EL ETANOL DE ORIGEN LIGNOCELULÓSICO. •

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Se denominan biocarburantes de primera generación a los que proceden de fuentes primarias, biomasa, y son sometidos a una transformación que permite que se usen como carburantes convencionales. Los de segunda generación son los obtenidos a partir de biomasa lignocelulósica, por lo que no entran en competencia con la alimentación humana o animal. El bioetanol se puede utilizar directamente en motores adaptados, flexible fuel vehicle. En motores convencionales se puede utilizar mezclándolo con la gasolina hasta un máximo del 5-10% en zonas frías y templadas y no más de un 20% en zonas calidas. El más habitual es el etanol. El término biodiesel engloba a muchos productos que pueden ser utilizados como combustible. Puede utilizarse hasta el 100% en motores convencionales fabricados en los últimos diez años, mezclas habituales son al 10% y 20%, llamados B10 y B20, aunque a veces hay biodiesel que solo tienen el 3% de este producto. El más conocido es el ester metílico obtenido del aceite de colza, también de girasol, oleaginosas, etc. En los últimos años se ha demostrado que los balances de CO2 de algunos biocarburantes, en especial los bioalcoholes como el bioetanol o el biodiesel, no son tan favorables como se pensaba. La tecnología actual para la fabricación del biodiesel genera una cantidad importante de residuos industriales, además de la glicerina. Todo ello sin tener en cuenta los residuos agrícolas que producen en origen. Para fomentar la producción de electricidad de origen renovable, la legislación actual ha elaborado el RD 661 sobre primas. La que se ofrece para el uso del biogás procedente de los digestores es importante, sin embargo no se tienen en cuenta los costes de explotación y, sobre todo, los de inversión. Al final las cifras no son tan atractivas. El gas de vertedero es obligatorio tratarlo y la tasa de recuperación de biogás es baja. Además, para ser valorizado hay que lavarlo. El gas de digestor tiene mejores perspectivas. En general el problema estriba en el pretratamiento de la biomasa a la entrada del digestor, el régimen de proceso y el tratamiento posterior del biogás. España tiene un potencial de valorización de los aceites vegetales usados muy importante. Por lo que hace referencia al biodiesel, generado con jatrofa, cardos o microalgas, es decir, especies que no compiten con la alimentación humana, tiene un futuro claro.

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Un mercado que se vislumbra de futuro para los próximos años se basa en la producción de biocarburantes a partir de especies modificadas genéticamente. En los balances generales de producción de biocarburantes hay que tener presente la generación de residuos secundarios, en particular la glicerina. Entre los combustibles sintéticos destacan los obtenidos mediante la síntesis de Fischer-Tropsch. Se puede partir de carbón o de gas natural, se obtiene una mezcla de hidrocarburos con una distribución muy amplia de pesos moleculares, de gases a ceras, entre los que hay gasolinas, queroseno y gasóleo. Los estudios exhaustivos sobre el futuro de los 26 biocarburantes conocidos no es muy alentador cuando se valoran debidamente todos los impactos. El futuro parece radicar en los biocarburantes de segunda generación. En especial el etanol de origen lignocelulósico.

Introducción Se denominan biocarburantes al conjunto de combustibles líquidos elaborados a partir de materia vegetal y que pueden sustituir a los combustibles convencionales en motores de combustión. En contraste con los carburantes convencionales derivados del petróleo, los denominados biocarburantes de primera generación son aquellos que, procedentes de fuentes primarias, biomasa, sufren una transformación que permite que se usen como

Figura 24.1. Biocombustibles líquidos y gaseosos.

carburantes convencionales. Según muestra el esquema de la Figura 24.1, se pueden, de forma simplificada, distinguir los carburantes procedentes de gases y de líquidos. En pura ortodoxia se denominan carburantes de segunda generación los obtenidos a partir de biomasa lignocelulósica, lo que implica que no entran en competencia con la biomasa destinada a la alimentación humana o animal.


La producción y uso de los biocarburantes ha sido fomentada por ley desde la UE por motivos estratégicos y ambientales. En los aspectos ambientales, la reducción a cero de la emisión de CO2 está clara. Los otros dos grandes parámetros, la emisión de NOx y de material en suspensión, es la misma que los combustibles convencionales, lo que tiene un impacto muy importante en las ciudades. En España, y con datos referidos a 2005, la Figura 24.2 muestra el consumo en miles de tep. El consumo de bioetanol fue, en 2005, de 113.000 tep, es decir, un 0,36% del total, mientras que el de biodiesel, con 24.000 tep, no alcanzó el 0,07%. Todo ello queda muy lejos de lo que señala la Directiva Europea 2003/30/CE, donde el consumo de biocarburantes debía ser para 2005 del 2,0%. Por otra parte España es un país exportador de biocarburantes, circunstancia que contrasta con el poco consumo interno. Según datos oficiales de la UE, en 2006: •

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El consumo europeo de biocarburantes fue de 5,38 Mtep, lo que representa el 1,8% de la energía en automoción (en España fue del 0,53%), Los principales combustibles fueron: bioetanol, biodiesel y biogás.

En el mundo se usan diversas políticas para la introducción de los biocarburantes: •

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Unión Europea: 5,75% para 2010 y 10% para 2020, en contenido energético por unidad de volumen. EE UU: 4% para 2010 y 20% para 2030.

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Brasil: 25% de mezcla de bioetanol en las gasolinas. Desde enero de 2008, todo el gasóleo deberá contener un 2% de biodiesel. Canadá y China: del 7,5% al 10% según regiones.

En el caso de España las grandes dificultades para el desarrollo de los biocarburantes hay que buscarlas: •

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En la producción agraria derivada de la PAC (Política Agraria Común) que no facilita suficientes ayudas a los agricultores. La última reforma (2007) ha introducido una ayuda de 70 a 75 €/ha (en lugar de los 45 €/ ha vigentes hasta ahora). En la política fiscal de los biocarburantes, que tienen un tipo cero impositivo sobre el impuesto de hidrocarburos, con vigencia hasta 2012 (Ley 53/2002 de 30 de diciembre). Recientemente, los casos de dumping comercial que practican ciertos gobiernos.

Salta a la vista que las medidas, al menos en España, se han revelado totalmente insuficientes. La causa habría que buscarla en el real interés del Estado por el fomento de carburantes con tipo impositivo cero (el ingreso por el impuesto es muy importante), la presión de las multinacionales del petróleo (en España, y en el año 2007, ha cerrado una planta de producción de etanol por la política obstruccionista de los fabricantes de gasolina: la causa hay que buscarla en la desproporción entre el consumo de gasóleo, 75% del total, frente a la gasolina; para las refinerías españolas el etanol es un

Figura 24.2. Consumo de carburantes en España (2005) en miles de tep.

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competidor potencial) y las posibilidades reales de destinar grandes superficies de terreno en un país con régimen higrométrico variable son pocas. En contrapartida los operadores esgrimen que en España el parque de vehículos diesel ha aumentado hasta representar el 79% frente al 21% de los de gasolina. Esta situación obliga a exportar tres

millones de toneladas de gasolina, mientras que las importaciones de gasóleo rondan los quince millones de toneladas. Por este motivo el sector pide una flexibilidad para que se pueda introducir menor cantidad de bioetanol en las gasolinas y mayor cantidad de biodiesel en los gasóleos hasta compensar la cifra requerida del 5,75% global.

Biocarburantes: problemas asociados a la producción y legislación No se puede obviar la polémica respecto al uso de cultivos alimentarios en la producción de etanol, pues el año 2006 ha sido turbulento para el precio del cereal y por tanto para el resto de productos basados en ellos, como pan, pasta, piensos animales y por ello carne y lácteos. Se ha acusado a los biocarburantes de esta escalada de precios debido a que han aumentado la demanda de cereales, pero lo cierto es que la demanda de cereales para este concepto no supera el 1,4% de la producción mundial de cereales, por lo que muchos autores apuntan a una espiral especulativa, en la que algunos intermediarios (no los productores, que han seguido recibiendo un precio similar por sus cosechas) han hecho acopio de cereales esperando que la industria energética estuviera dispuesta a pagar más por estos productos. Otras tesis apuntan también al incremento de la demanda de cereales de algunas economías en fuerte expansión, específicamente China, que han aumentado el consumo de cereales y de productos cárnicos a consecuencia de su incremento de poder adquisitivo y han acaparado una parte importante de la producción de cereales. Lo cierto es que unos de los primeros perjudicados en España han sido las plantas de etanol, que han tenido que parar la producción al no poder rentabilizarla por el alto precio de la materia prima, sin que su ausencia de consumo haya bajado los precios de momento. Por otro lado se puede observar que en países de gran capacidad agrícola como Brasil, donde disponen de mucha caña de azúcar, esto no se ha producido y han seguido aumentando su capacidad de producción de etanol. También hay que hacer mención a otros aspectos que han salido a la luz en los últimos meses, como

el hecho de poner de manifiesto que el balance de CO2 del bioetanol y del biodiesel puede no ser tan favorable como se había calculado (88% de reducción de gases de efecto invernadero). En efecto debido al uso de maquinaria agrícola propulsada por gasóleo, de fertilizantes sintéticos procedentes del petróleo y de la deforestación que podría causar una fiebre por los cultivos energéticos con el consiguiente consumo de agua, pueden provocar que las emisiones de CO2 en el ciclo de vida de la producción y distribución de biocarburantes sean iguales, o incluso superen, las toneladas de CO2 que estos carburantes se calcula que ahorran. Al aspecto ambiental se debe unir el social, puesto que la destrucción de hábitats naturales para ganar tierras de cultivo o el traslado del coste ambiental de los cultivos a los países en vías de desarrollo son problemas a tener en cuenta, aunque es un fenómeno más amplio que lleva décadas produciéndose y no se puede achacar la culpa ahora a los biocarburantes únicamente. Como todo bien, el biocarburante no es de por sí limpio si su modo de producción no lo es, por eso se pueden considerar todos los inconvenientes expuestos como una alarma de lo que no se debe hacer para corregir estos problemas, pero no considerarlos irremediables. Por otro lado, se deben considerar los biocarburantes como lo que son, una alternativa complementaria a los carburantes procedentes del petróleo. De ninguna manera podrán sustituirlos completamente, con una tecnología y un mercado en desarrollo ahora mismo y por tanto en periodo de adaptación y, sobre todo, deben ser considerados como una fase transitoria, puesto que los esfuerzos de investigación en países con poca disponibilidad de cereales


(poca capacidad agrícola de manera rentable), se han centrado en el desarrollo de los biocarburantes llamados de segunda generación. La norma europea que especifica los requisitos de ensayo de etanol y biodiesel para su uso en motores de explosión es la UNE-EN 14214. Permite mezclas de etanol con gasolinas y biodiesel con gasóleos. En España el Real Decreto 1700/2003 fija las especificaciones de uso de los biocarburantes y exige un etiquetaje específico en los puntos de venta para las mezclas superiores al 5% en contenido de biodiesel. El RD ha sido complementado y actualizado con el 61/2006, donde se especifica que los distribuidores han de informar al Estado de la cantidad de combustible renovable que ponen en el mercado, ya que el anterior Decreto no lo exigía. De acuerdo con la Directiva Europea y el RD, los objetivos de uso de biocarburantes son claros: 5,75% para 2010 y 10% para 2020. Sin embargo, a primeros de 2008, la realidad era muy diferente. La Asociación de Productores de Energías Renovables (APPA) reclamaba al Gobierno español la aprobación urgente de las obligaciones de uso del bioetanol y del biodiesel previstas en el proyecto de orden ministerial y cuya entrada en vigor debía producirse el 1 de enero de 2008. Para los productores de biocombustibles “los objetivos obligatorios de consumo de bioetanol y biodiesel deben mantenerse separados pero idénticos en los mismos porcentajes: 1,9% en 2008, 3,4% en 2009 y 5,83% en 2010 en relación a la gasolina y al gasóleo, respectivamente”. Son los porcentajes y fechas incluidos en el proyecto de orden que presentó el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio (MITyC) para desarrollar reglamentariamente esta obligación, introducida en la Ley 12/2007, de 2 de julio, de modificación de la Ley del Sector de Hidrocarburos (LSH). El establecimiento de objetivos obligatorios de consumo de biocombustibles inferiores al 5,83% en 2010 no solo destruiría una parte de la capacidad productiva ya existente, las inversiones realizadas y los puestos de trabajo creados en España, sino que además afectaría negativamente a la viabilidad de los nuevos proyectos de inversión previstos y necesarios para el cumplimiento tanto del objetivo

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del 5,83% en 2010 como del objetivo mínimo del 10% de biocarburantes fijado por la Unión Europea para 2020. En cuanto al biodiesel, APPA advertía del problema de mantener el actual tejido industrial de producción de biodiésel, con cuarenta y cuatro plantas abiertas a finales de 2008 en España, de las que alrededor de la mitad están paradas en 2009, y las restantes funcionan al ralentí, con un 9% de producción respecto al total de su capacidad. Es necesario que el Gobierno tome las medidas adecuadas para poner freno a la entrada masiva en España de biodiesel procedente de Estados Unidos y Argentina, en situación de dumping fiscal, que alcanzó el 71% del mercado español en 2008, al beneficiarse del incentivo fiscal nacional pese a venir ya de origen con una subvención equivalente. Actualmente ya están sometidos a aranceles. Los porcentajes de consumo obligatorio de biodiesel y bioetanol previstos en el proyecto de orden ministerial para 2010 (5,83%), así como el objetivo fijado por la Unión Europea para 2020 (10%), son perfectamente asumibles por la industria española de biocarburantes, según APPA, y pone como ejemplo la capacidad productiva ya instalada en 2007: más de 800.000 toneladas en biodiesel (718 ktep) y 456.000 en bioetanol (291 ktep), valores que alcanzaban ya el 3%, así como las plantas que han construido o en proyecto. En consideración a estas previsiones, APPA cree necesario incrementar incluso las obligaciones previstas tanto para 2010 como en el horizonte hasta 2020. Por último, los productores advierten que el establecimiento de objetivos inferiores al 5,83% sería un obstáculo insalvable para la obtención de los recursos económicos necesarios para invertir en el desarrollo tecnológico de los biocarburantes de segunda generación basados en biomasa lignocelulósica (restos vegetales de la agricultura, la selvicultura y la industria, entre otros materiales carentes de uso alimentario), llamados a jugar un papel fundamental, según la Comisión Europea, en el cumplimiento del objetivo del 10% en 2020.

BIOCARBURANTES A PARTIR DE BIOMASA Se denomina biocarburantes, según la Ley 34/1998 del sector de hidrocarburos en concordancia con la Directiva Europea, al conjunto de com-

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bustibles líquidos elaborados a partir de materia vegetal y que pueden sustituir a los combustibles convencionales en motores de combustión. La relación de biocarburantes, según la UE, es: •

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Tabla 24.1. Procesos de obtención de biocarburantes.

Bioetanol: etanol producido, para uso como biocarburante, a partir de la biomasa o de la fracción biodegradable de los residuos. Biodiésel: éster metílico producido a partir de un aceite vegetal o animal de calidad similar al gasóleo, para su uso como biocarburante. Biogás: combustible gaseoso producido a partir de la biomasa y/o a partir de la fracción biodegradable de los residuos y que puede ser purificado hasta alcanzar una calidad similar a la del gas natural, para uso como biocarburante, o gas de madera. Biometanol: metanol producido, para uso como biocarburante, a partir de la biomasa. Biodimetiléter: dimetiléter producido, para uso como biocarburante, a partir de la biomasa. BioETBE (etil ter-butil éter): producido a partir del bioetanol. La fracción volumétrica de bioETBE que se computa como biocarburante es del 47%.

PROCESO

BIOMASA UTILIZADA

BIOCOMBUSTIBLE

Hidrogenación

Indiferente

Biocrudo

Pirólisis

Indiferente

Aceites de pirólisis

Fermentación

Cultivos que contengan azúcar

Bioetanol

Hidrólisis + fermentación

Biomasa lignocelulósica

Bioetanol

Extracción + esterificación

Cultivos que contengan aceite

Biodiesel

Gasificación

Indiferente

Gas de síntesis o metanol

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BioMTBE (metil ter-butil éter): producido a partir del biometanol. La fracción volumétrica de bioMTBE que se computa como biocarburante es del 36%. Biocarburantes sintéticos: hidrocarburos sintéticos o sus mezclas, producidos a partir de la biomasa. Biohidrógeno: hidrógeno producido a partir de la biomasa y/o a partir de la fracción biodegradable de los residuos para su uso como biocarburante.

Tabla 24.2. Biocarburantes de desarrollo comercial y origen. MATERIA PRIMA

PROCESO DE FABRICACIÓN

BIOCARBURANTE

BIOCARBURANTES PRODUCIDOS EN LA ACTUALIDAD AZÚCARES - Caña y remolacha

Fermentación alcohólica

Bioetanol

ALMIDONES - Cereales

Sacarificación y fermentación alcohólica

Bioetanol Biobutanol

LÍPIDOS - Aceites vegetales - Vírgenes o usados - Grasas animales

Esterificación con metanol

Biodiesel

RESIDUO ORGÁNICO - Aguas residuales - Residuo sólido urbano - Residuos de granjas

Fermentación anaerobia

Metano (1)

BIOCARBURANTES EN INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO CELULOSA

Hidrólisis y fermentación

Bioetanol

BIOMASA GENÉRICA

Gasificación por oxidación parcial Síntesis específica Síntesis específica Reacción de Fischer y Tropsch Desplazamiento del CO

Metanol Dimetil ester (DME) Hidrocarburos Hidrógeno

BIOMASA GENÉRICA

Pirólisis

Biodiesel

BIOMASA ESPECIAL

Fermentación selectiva

Hidrógeno

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Aceite vegetal puro: aceite obtenido a partir de plantas oleaginosas mediante presión, extracción o procedimiento comparable, crudo o refinado, pero sin modificación química, cuando su uso sea compatible con el tipo de motor y las exigencias correspondientes en materia de emisiones.

(Nota: la legislación actual española no incluye los productos de origen animal u otros derivados de la gasificación de la madera excepto el metanol). Las metodologías actuales de obtención de biocarburantes se enumeran en la Tabla 24.1 (esta tabla es generalista y no incluye variantes que se comentan más adelante).

gasolinas sin plomo en sustitución de las sales de plomo. En la actualidad, el MTBE se obtiene de la destilación del petróleo; es, por lo tanto, de origen fósil. La Tabla 24.3 proporciona algunas características de estos compuestos oxigenados. El ETBE se obtiene por síntesis del etanol con isobutileno, un subproducto de la destilación de petróleo, y se añade como aditivo en proporciones también del 5-10%, siendo más miscible en la gasolina que el etanol. El proceso de fabricación se compone de una compleja sucesión de reacciones que, desde el punto de vista tecnológico, pueden reducirse a:

Las fuentes de donde proceden los biocarburantes con mayor potencial de desarrollo comercial se exponen en la Tabla 24.2.

BIOETANOL Se obtiene a partir de cultivos tradicionales, como cereales (trigo, cebada, maíz), caña de azúcar y remolacha. Esto se debe al contenido en hidratos de carbono de estas plantas, que permite realizar una fermentación alcohólica con la que obtener etanol. El etanol se puede utilizar directamente en motores especialmente adaptados. En caso contrario se realizan mezclas con gasolinas convencionales a un máximo del 5-10% en zonas frías y templadas, y no más del 20% en zonas cálidas. Para poder realizar esta mezcla y utilizar motores convencionales, el etanol no debe tener ningún contenido en agua. Actualmente el bioetanol se utiliza para elaborar ETBE, un aditivo para gasolinas que, al igual que el etanol, aumenta el índice octano, es decir, la explosividad de la gasolina y por tanto la facilidad para su ignición. El ETBE es un producto que realiza la misma función que el aditivo MTBE, utilizado actualmente para aumentar el octanaje de las

C6H12O6 ' 2 C2H5OH + 2 CO2 + calor (ΔH = -217,7 kJ/mol) De acuerdo con esta reacción, 1 kg de glucosa genera 0,51 kg de etanol y 0,49 de CO2, si bien en la práctica los rendimientos reales de etanol son menores. La Figura 24.3 reproduce el diagrama de Shankey para la generación de etanol a partir de trigo. El balance de masa concluye que se pueden obtener 2.080 litros por hectárea cultivada. Suponiendo una productividad de 3.000 kg de grano por hectárea, se estima que por cada tonelada de grano se obtienen casi 700 litros de etanol. En el caso de la remolacha azucarera, respecto al trigo, el rendimiento es más del doble, aunque en Europa la opción más realista es el trigo, ya que en la última década del siglo XX, el coste del biocombustible ha descendido de 0,95 a 0,30 €/l. Es interesante señalar que el subproducto de la reacción de fermentación, CO2, se vende, lo que además de constituir una fuente de ingresos contribuye al ahorro de energía ya que no debe fabricarse de manera explícita. En el año 1996 se creó en España la empresa Ecocarburantes Españoles SA, participada por el IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro

Tabla 24.3. Características de algunos carburantes oxigenados. Propiedad PCI (kJ/kg)

Gasolina

Metanol

Etanol

MTBE

ETBE

44.000

20.300

27.300

36.000

37.000

Densidad (kg/m3)

730 - 780

797

795

745

742

ºC ebullición

40 - 180

65

78

55

73

Miscible

Miscible

43 - 54

26

6,45

9

12

13,5

Solubilidad en agua (g/l) Aire/combustible

14,7

368


Figura 24.3. Balance de masa de obtención de etanol a partir de trigo. (Fuente: Camps Michelena, M. y Marcos Martín, F. Los biocombustibles).

de Energía) y la empresa privada Abengoa. Tenía como objetivo la construcción y operación de una planta de obtención de etanol a partir de cereales en Cartagena (Murcia, España). La materia prima utilizada en esta planta es el cereal, principalmente cebada y trigo, con un consumo anual de unas 300.000 toneladas. De esta materia prima se obtienen anualmente: •

•

•

100 millones de litros de bioetanol cuyo destino es su incorporación a las gasolinas sin plomo en forma de ETBE. 120.000 toneladas de alimento proteico cuyo destino es materia prima para la elaboración de piensos animales. 80.000 toneladas de CO2 cuyo destino es la producción de carbonato de estroncio (en la empresa Química del Estroncio) y producción de bebidas carbónicas.

Asimismo, la mencionada empresa construyó y opera otra planta en Galicia (Bioetanol Galicia, SA) con una capacidad de producción de 168 millones de litros anuales y una tercera en Salamanca (Biocarburantes de Castilla y León, SA) donde desarrolla una nueva tecnología para producir 200 millones de litros anuales. El objetivo en la UE es que el bioetanol pueda mezclarse en un 3-4% en el volumen actual de consumo de gasolina sin plomo.

En los inicios del desarrollo de los motores de combustión interna para automoción, la gasolina y el alcohol eran competidores, pero la industria del petróleo y los bajos precios del crudo acabaron imponiendo el dominio de la gasolina. Esto explica que en algunos países, en época de poca disponibilidad de petróleo, se impulsaran los vehículos propulsados por alcohol o al menos los llamados flexible fuel vehicles, capaces de funcionar con alcohol, gasolina o una mezcla de ambos. El hecho de que un país opte por el metanol o el etanol está ligado a cuestiones de seguridad y de disponibilidad de las materias primas: generalmente el etanol es más caro de producir y menos flexible como combustible, pero en países con gran disponibilidad de caña de azúcar como Brasil o con ayudas a la producción de maíz como EE UU, se tiende a optar por el etanol. El metanol se puede obtener tanto de gas natural y otras fuentes fósiles como de la gasificación de residuos forestales y urbanos, etc., pero tiene mayores dificultades para su uso en motores de combustión interna y la tecnología de obtención de metanol a partir de gasificación no está desarrollada a escala comercial.

BIODIESEL Este término puede resultar ambiguo ya que engloba toda una serie de productos que pueden


ser usados como combustibles. Se debe distinguir entre: •

• •

El aceite vegetal usado, típicamente de freír, en el ámbito tanto doméstico y hostelería como industrial, es tóxico y difícilmente biodegradable. El generado en la industria alimentaria de procesado y la hostelería se gestiona y recoge obligatoriamente por empresas especializadas: gestores de residuos. El doméstico y el procedente del comercio no gestionado correctamente, en cambio, presentan un gran problema en las depuradoras de aguas residuales urbanas y está siendo objeto de iniciativas para su recogida. Aceites vegetales mezclados con gasóleo o disolventes (microemulsiones). Ésteres metílicos o etílicos preparados a partir de aceites vegetales o grasas animales. Solos o mezclados con gasóleo.

Además, hay que destacar la definición de biodiesel según la ASTM1, que lo describe como: ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables o grasas animales, y que se emplean en motores diesel o en calderas. El biodiesel se obtiene mayoritariamente a partir de cultivos convencionales de oleaginosas, girasol y colza pues son los cultivos más extendidos de la UE, pero se puede producir también a partir de otras especies, como la soja o la palma.

369

El gráfico de la Figura 24.4 muestra la distribución por países de la producción de biocarburantes en la UE, en el que se aprecia la predominancia del biodiesel sobre el etanol. Los biodiesel son metilesteres obtenidos de los aceites vegetales mediante reacción de transesterificación con metanol. El biocarburante más utilizado es el éster metílico, obtenido a partir del aceite de colza. La mezcla de biodiesel al 20%, estándar de uso habitual de comprobada eficacia que da nombre al Biodiesel 20, aumenta en 2 ºC la temperatura a la que debe mantenerse el combustible respecto a la temperatura del petrodiesel. En climas fríos esta diferencia podría hacer que el biodiesel presentara problemas en el filtro del motor o de escanciado desde el depósito de almacenado al ser demasiado viscoso con respecto al petrodiesel. Esto, aunque es bastante improbable puesto que se ha demostrado operativo sin inconvenientes a temperaturas ambientales de hasta -32 ºC, se podría subsanar con depósitos no expuestos a la intemperie o mecanismos de precalentado del combustible en el motor. Es de interés para los consumidores saber el porcentaje de biodiesel que incorpora el combustible que se vende bajo ese nombre, ya que un diesel con el 3% de biodiesel será también vendido bajo la etiqueta de biodiesel pero sus beneficios ambientales serán bastante inferiores a los del Biodiesel 20.

Figura 24.4. Producción de biocarburantes en la UE, en 2003. 1

ASTM: American Society for Testing and Materials.

370


Por lo que hace referencia a las materias primas precisas para fabricar biodiesel a partir de semillas vegetales de soja, colza y palma, en una cantidad de 200.000 t/año de biodiesel y 23.000 t/año de glicerina, los consumos previstos de materias primas, con la tecnología actual disponible, son: • • • • • • • • •

Aceite vegetal: Metanol: Metilato sódico: Hidróxido de sodio: Ácido clorhídrico: Ácido fosfórico: Ácido cítrico: Otros: Nitrógeno:

210.000 t/año. 20.000 t/año. 3.350 t/año. 1.300 t/año. 1.900 t/año. 672 t/año. 150 t/año. 40 t/año. 210 Nm3/año.

El consumo eléctrico puede estimarse en 1 kWh/t de biodiesel y se precisa energía térmica para producir vapor y agua para refrigeración. Por lo que hace referencia a los residuos del proceso, el más importante es la glicerina. Esta es una mezcla de alcoholes que sale de la planta con una humedad del 50% y determinadas concentraciones de otros productos. Para transformarla en glicerina de valor para la industria química básica, generalmente a la industria cosmética, se debe concentrar hasta el 99,8% y purificarla (glicerol medicinal). El problema real es que las cantidades que se van a generar son tan elevadas que el coste de adecuación lo hará inviable y se deberá buscar otro medio de valorización que, en buena lógica, no es otro que la valorización energética.

El término biomasa forestal, habitualmente empleado por extensión, es diferente conceptualmente al de los residuos forestales y, por tanto, no equivalentes: mientras que los residuos forestales proceden de forma exclusiva de las actividades forestales (cortas finales, talas, claras, clareos, desbroces de matorral, etc.), la biomasa forestal, en cambio, representaría toda la materia viva presente en el monte, incluyendo, obviamente, la no maderera. Un cultivo energético debe cumplir, básicamente, dos requisitos: •

•

Viabilidad económica. Para ser competitiva con los combustibles fósiles. En nuestras latitudes es deseable la perennidad (capacidad de rebrote) y bajos requerimientos hídricos. En general parecen más adecuados los cultivos herbáceos que los forestales (necesitan altas densidades de plantación, superiores a 10.000 plantas/ha, y turnos cortos de rotación, inferiores a cinco años). La Figura 24.5 muestra el cosechado y astillado de una plantación energética de sauce. Viabilidad energética. El balance energético ha de ser claramente positivo (la energía contenida en el biocombustible debe superar a la gastada en su obtención).

PROCESO GENERAL DE GENERACIÓN DE ENERGÍA POR CONVERSIÓN ENERGÉTICA DE LA BIOMASA Una parte ínfima del flujo solar (algo más del 0,5%) energético se emplea para la creación de la biomasa, a razón de 30·1010 t/año, equivalentes a 868·103 TWh o 7,5·1010 tep, es decir, casi seis veces el consumo mundial de energía en 2002. Las plantas producen, de promedio, una energía de 5·103 kcal/m2 y año. Llevando a cabo cálculos teóricos sobre una superficie de 1,5·1014 m2 resulta una energía transferida (sol/biomasa) de 7,5·1017 kcal/año o 8,7·1014 kWh/año, o sea, una potencia media de 100 TW.

Figura 24.5. Cosechado y astillado mecanizado de una plantación energética de sauce.

De cara al futuro las especies lignocelulósicas parecen ser las mejor colocadas, gracias a la posibilidad de una hidrólisis severa y posterior gasificación. La Tabla 24.4 muestra, de acuerdo con el Ciemat (Centro de Investigaciones Energéticas,

371

Los carburantes de segunda generación Tabla 24.4. Especies agroenergéticas de mayor potencial en la UE. Especie

< ?!

; |[&@!

Particularidades

Cardo (C. Cardunculus)

Sur

8 - 35

Mucha ceniza, álcalis y Cl

Colza etíope (C. Carinmata)

Sur

3 – 17

Baja resistencia al frío

Caña (Arundo donax)

Centro - Sur

3 – 37

Aguanta la sequía

Sorgo forrajero (S. Bicolor)

Centro - Sur

10 - 45

Mijo (Panicum Virgatum)

Norte - Centro - Sur

4 - 25

Necesita bastante agua

Phalaris arundinacea

Centro - Norte

7 - 13


Sauce (Salix sp.)

Norte

6 – 12


Chopo (Populus sp.)

Centro - Sur

8 - 30

Eucalipto (Eucaliptos sp.)

Sur

8 - 15

Medioambientales y Tecnológicas), las especies más prometedoras. Desde el punto de vista de la valorización energética, el aprovechamiento de los residuos forestales presentan las siguientes ventajas: •

Aumento de la productividad del sector forestal, al aportar una nueva fuente de ingresos para los materiales habitualmente considerados como residuales.

• • •

Generación de puestos de trabajo, en toda la cadena productiva. Menor dependencia de los combustibles fósiles. Disminución del riesgo de incendios y plagas forestales.

La Figura 24.6 muestra esquemáticamente el proceso íntegro de transformación de biomasa, residual o no, en gas de síntesis a partir del cual se

Figura 24.6. Esquema general de obtención de energía a partir de biomasa.

372


puede obtener energía, en caso de la combustión de los gases, o vectores energéticos como el metanol y el hidrógeno mediante reformado. En resumen, el futuro de la agroenergética depender de que se pueda producir biomasa de forma rentable en plantaciones extensivas, con las especies y las tecnologías necesarias.

LOS BIOGASES Desde el punto de vista de la procedencia, debe distinguirse entre: •

•

Gas de vertedero, producido, como su nombre indica, en los vertederos como resultado de la degradación de la materia fermentable. Gas de digestor, generado en reactores anaeróbios. Muy usado en las depuradoras de aguas residuales y en metanizadores.

El gas de vertedero

La materia fermentable de los residuos, en particular los RSU, depositados en los vertederos en un ambiente anóxico genera biogás. Se calcula que un 30% del biogás, de este origen, producido en la UE, es tratado. De lo contrario, los potenciales impactos producidos son: •

• •

•

Incendios y explosiones, ya que el metano al acceder al exterior en determinadas concentraciones con el oxígeno forma mezclas explosivas. Genera malos olores además de contener numerosos compuestos tóxicos. Daños a la vegetación. Todo ello sin tener en cuenta el impacto producido por la gran cantidad de camiones que transportan los residuos. Efectos climáticos. El biogás está formado, aproximadamente, por un 50% de metano, gas de potente efecto invernadero (la molécula de metano capta 21 veces más la radiación infrarroja solar que la de CO2) y el resto CO2.

El gas de vertedero es un combustible muy abundante debido a la práctica común y exclusiva en muchos países de tratar la materia fermentable por el sistema de vertido. El problema ambiental

que ello genera es de tal calibre que la UE ha desarrollado una normativa por la que obliga a tratar dicho gas. El caso es que si el vertedero está lejos de los puntos de consumo, como suele ser habitual, no hay otra manera de tratarlo que oxidarlo en una antorcha, lo que es una lástima, ya que no se le saca ningún provecho. Por ello en los últimos tiempos se han puesto en marcha muchas iniciativas para depurar el gas in situ y extraer otros componentes valorizables. Por ejemplo, se ha trabajado en la depuración del gas de vertedero para obtener hidrógeno. El gas de vertedero se halla casi exento de oxígeno ya que se consumió en las diversas reacciones. Sin embargo, en la composición siempre aparece un cierto porcentaje que se debe a la infiltración de aire en la etapa de extracción del biogás. La hidrólisis es la etapa crítica que controla la degradación de los residuos y la generación de metano. Al margen de la acción bacteriana sobre la fracción fermentable, la más común en los vertederos mixtos, la presencia de sulfatos (residuos de construcción y de neutralización de gases ácidos, fangos de EDAR, etc.) hacen entrar en acción a las bacterias sulfato-reductoras, siempre anaerobias, que producen H2S. Uno de los problemas que genera el uso de biogás en motores es la presencia de los siloxanos debido a los sulfatos presentes en los vertederos. Si estos compuestos no se eliminan pueden destruir las camisas de los motores en pocos días. La generación del biogás se lleva a cabo en las cuatro típicas etapas de producción de un gas de origen anaerobio: •

•

•

•

Hidrólisis: los compuestos orgánicos complejos son transformados en material disuelto más simple, por medio de enzimas producidas por bacterias fermentativas. Acidogénesis: los productos solubles son convertidos en ácidos grasos volátiles, CO2, H2, H2S, etc., por la acción de las bacterias fermentativas acidogénicas. Acetogénesis: los productos generados en la etapa anterior son transformados en sustrato para las bacterias metanogénicas. Metanogénesis: finalmente se produce metano a partir de acetato (bacterias metanogénicas acetoclásticas) y de H2S y CO2 (bacterias metanogénicas hidrogenotróficas).

373


Figura 24.7. Evolución componentes de un gas de vertedero.

La duración de cada una de las fases depende de múltiples factores. La Figura 24.7 muestra la evolución de producción de biogás, que suele durar unos 15 años. En la fase IV la generación de biogás es cada vez menor (los residuos están cada vez más mineralizados) y comienza a haber intrusión de aire por la parte superior, fase V, y el oxígeno puede oxidar el metano y provocar explosiones. Obviamente el PCI varía constantemente durante todo este periodo de producción de biogás. Esto equivale a decir que hay que tener especial cuidado en el manejo del gas, en particular por la aparición de H2S. Numerosos estudios han demostrado que las emisiones de biogás no terminan con la clausura, y con ello los efectos perniciosos derivados de los compuestos tóxicos contenidos. La legislación de la UE obliga a recuperarlo. En un vertedero en explotación, cuando se instala una red de captación se suele recuperar del orden del 20% del biogás emitido, mientras que si la red de captación se diseña e instala en un vertedero de

nueva planta, la cantidad de biogás recuperado es del orden del 50%. En la fase de vida más larga y productiva del vertedero, la composición en volumen media del gas de vertedero suele ser: 55% de CH4, 43% de CO2 y el resto de un sinfín de contaminantes. Como indica la Tabla 24.5 se puede catalogar como combustible y la Directiva Europea lo incluye como carburante para la propulsión de vehículos con motor de explosión. Después de una depuración el gas se puede comprimir en bombona y ser suministrado a un motor como combustible gaseoso. El gas de digestor

La descomposición anaerobia (en ausencia total de oxígeno o nitratos) de la materia orgánica produce un gas combustible. Este gas contiene una alta proporción en metano (CH4 en concentración superior al 60% en el gas), con una potencia calorífica inferior del orden de 5.500 Kcal/m3, y se designa usualmente como biogás. Todo proceso de

Tabla 24.5. Requerimientos de la UE para gases para vehículos. Componente (% volumen)

Gases naturales

Biogás

C20

C23

C25

Metano

87

92,5

86

50-60

Etano

13

-

-

-

-

7,5

14

<5

39

34

31

20

Nitrógeno PCI (MJ/Nm3)

374


digestión anaerobia lleva parejo una eliminación/ depuración de la carga orgánica y la producción de este gas. Las instalaciones especialmente diseñadas para optimizar este proceso se designan como “digestores de metano”, “plantas de biogás” o simplemente “reactores anaerobios”. La metanización es una aplicación de la digestión anaerobia que consiste en transformar una parte de la fracción fermentable, putrescible o degradable, de los residuos orgánicos en gas metano para su posterior valorización. Para generar biogás se considera que el ratio óptimo C/N ha de ser de 20-30. El tiempo de residencia depende de la tecnología usada, pero lo normal son quince días. En el caso de los purines de cerdo, en el mejor de los casos la máxima concentración de material seco puede alcanzar el 15%, lo normal en España es que sea del 2 al 8%. Además el purín de cerdo presenta el inconveniente de su baja tasa de transformación en metano, lo que conduce a que: este tipo de plantas de tratamiento solo alcanzarán la rentabilidad si se mezcla el purín con otros residuos más energéticos. En ello se ha trabajado y se han logrado buenos resultados en la denominada codigestión. Esto es, la digestión de los purines con fangos de los mataderos o de otra procedencia

que aseguren una gran cantidad de materia orgánica, en especial lípidos. En el norte de Alemania se han construido plantas de tratamiento de aguas procedentes de los mataderos que son energéticamente sustentables. Esto es, el biogás producido en el digestor cubre todas las necesidades térmicas de la industria, y la electricidad generada es suficiente para atender a la demanda eléctrica del matadero. En Dinamarca existen bastantes plantas donde, junto a los purines (70% en peso), se añade un 30% de residuos cárnicos ricos en proteínas. Estas plantas son energéticamente autóctonas y además pueden exportar energía eléctrica. El cotratamiento consiste en el tratamiento conjunto de residuos orgánicos diferentes, con el objetivo de: •

• • •

•

Aprovechar la complementariedad de las composiciones para permitir perfiles de proceso más eficaces. Compartir instalaciones de tratamiento. Unificar metodologías de gestión. Amortiguar las variaciones temporales en composición y producción de cada residuo por separado. Reducir costes de inversión y explotación.

Tabla 24.6. Potenciales de producción de biogás de algunos residuos orgánicos de la industria alimentaria y de la fracción orgánica de residuos municipales (Angelidaki y Ahring, 1997). [ ]

; (%) biogás (m3/tonelada)

Tipo

Contenido orgánico

Intestinos + contenidos

Hidratos de carbono, proteínas, lípidos

15-20

50-70

Fangos de flotación

65-70% proteínas, 30-35% lípidos

13-18

90-130

BBO (tierras filtrantes de aceites, con bentonita)

80% lípidos, 20% otros orgánicos

40-45

350-450

Aceites de pescado

30-50% lípidos

80-85

350-600

Suero

75-80% lactosa, 20-25% proteínas

7-10

40-55

Suero concentrado

75-80% lactosa, 20-25% proteínas

18-22

100-130

Hidrolizados de carne y huesos

70% proteínas, 30% lípidos

10-15

70-100

Mermeladas

90% azúcares, ácidos orgánicos

50

300

Aceite soja/margarinas

90% aceites vegetales

90

800-1000

Bebidas alcohólicas

40% alcohol

40

240

Fangos residuales

Hidratos de carbono, lípidos, proteínas

3-4

17-22

Fangos residuales concentrados


15-20

85-110

FORM separado en origen


20-30

150-240

375


El término codigestión se utiliza para expresar la digestión anaerobia conjunta de dos o más substratos de diferente origen. La ventaja principal radica en el aprovechamiento de la sinergia de las mezclas, compensando las carencias de cada uno de los substratos por separado. La codigestión de residuos orgánicos de diferente origen ha resultado una metodología exitosa tanto en régimen termofílico como mesofílico. Se han conseguido buenos resultados para mezclas de residuos ganaderos con varios tipos de residuos de la industria de carne y mataderos, ricos en grasas, consiguiendo altas producciones de metano, del orden de 47 m3/tonelada de residuo introducido. También se han obtenido buenos resultados con la codigestión de fangos de depuradora y la fracción orgánica de residuos municipales, la mezcla de estos últimos con aguas residuales urbanas, y la codigestión de fangos de depuradora y residuos de frutas y verduras. Los residuos urbanos e industriales acostumbran a contener altas concentraciones de materia orgánica fácilmente degradable, por lo cual presentan un mayor potencial de producción de biogás que los residuos ganaderos, como indica la Tabla 24.6, pudiendo llegar a 1.000 m3 de biogás por tonelada de residuo. Sin embargo, estos residuos pueden presentar problemas en su digestión, como deficiencia en nutrientes necesarios para el desarrollo de microorganismos anaerobios, baja alcalinidad o excesivo contenido en sólidos que provoquen problemas mecánicos. Los residuos ganaderos pueden ser una buena base para la codigestión ya que, generalmente, presentan un contenido en agua elevado, una alta capacidad tampón y aportan una amplia variedad de nutrientes necesarios para el crecimiento de microorganismos anaerobios. Una variante del proceso es el que se emplea para la valorización energética de los residuos ganaderos (Tabla 24.7). Las deyecciones ya contienen una cantidad importante de agua, que junto a la de la limpieza, baja la concentración de sólidos hasta niveles cercanos al 1%, que hace inviable el proceso de digestión anaerobia, al menos desde el punto de vista económico. Estos pueden separarse por sistemas hidráulicos, y utilizados para potenciar la digestión con fangos de EDAR empleando la denominada codigestión.

Un claro ejemplo del uso de biomasa y aprovechamiento de residuos urbanos lo constituye el municipio sueco de Västerås. En este municipio de 170.000 habitantes el gobierno local ha establecido un convenio con las personas para que hagan la primera selección y separación de residuos orgánicos en los domicilios y los negocios locales. En el programa participa activamente el 90% de la población. La recogida selectiva de los residuos se realiza con vehículos basureros especialmente adaptados para tal fin y que además funcionan con el biogás obtenido mediante digestión anaerobia del residuo. Para optimizar el proceso de obtención del gas el municipio ha firmado otro convenio con los agricultores para que entre los ciclos de cultivo de productos comerciales tengan un ciclo de producción Tabla 24.7. Producciones medias de biogás de diferentes residuos. Rendimiento (m3 gas/t MS)

; '& día y animal)

Residuos urbanos (materia orgánica)

116

-

Estiércol de ovino y caprino

300

1,6

Estiércol de vacuno

320

49

Paja

330

Paja de cebada

360

Melaza

380

Prensado de patata

390

Gallinaza

390

Purín de cerdo

400

Hojas

410

Paja de trigo

440

Hoja de remolacha azucarera

480

Vegetales, trébol

500

Estiércol de aves

500

Grano de cebada y lúpulo

580

Estiércol de caballo

590

Estiércol de cerdo

700

Pulpa de remolacha azucarera

750

Grasa de desnatado

1.100

Tipo

0,1

9,5

376


de pastura de rápido crecimiento que se cosecha escalonadamente para asegurar el abastecimiento del material vegetal a las plantas de digestión. La planta de digestión consta de varios tanques unidos en serie para mantener la presión del gas y la recirculación del mismo para acelerar el proceso. Con este sistema se han alcanzado producciones de hasta 350 Nm3/hora de biogás. Este gas es sometido a presurización y lavado contraflujo en agua para obtener finalmente el metano puro, el agua es después desgasificada a presión atmosférica, obteniéndose CO2 y restos de metano que es reintroducido al circuito de alta presión (10 a 12 bar). El volumen de biogás obtenido es suficiente para mantener la flota de cuarenta autobuses municipales y los diez vehículos adaptados para la recolección de los residuos orgánicos, además de otros 500 vehículos pequeños de transporte ligero. Los agricultores que participan de este proyecto reciben además fertilizante sólido de alta calidad que les permite mantener y mejorar 1.500 hectáreas de cultivo intensivo.

BIOCARBURANTES DE ACEITES NO MODIFICADOS Los aceites, tanto vírgenes como residuales, pueden ser excelentes biocarburantes. En particular los aceites procedentes de residuos se citan aquí debido al enorme potencial actual y futuro. Se calcula que en España se consumen, al año, unos 600 millones de litros de aceite vegetal, de los que, escasamente se recuperan, usados, un 6%. De ahí la importancia del recurso. El aceite vegetal se caracteriza por su composición en ácidos grasos; las diferencias entre los

diversos tipos de aceites se deben a la distinta composición de los mismos. Así, atendiendo a su composición los aceites vegetales se pueden clasificar en: • •

Aceites ricos en ácidos grasos saturados y ácido oleico (aceite de oliva). Aceites ricos en ácidos grasos poliinsaturados (aceite de girasol).

Aproximadamente, el consumo de los aceites vegetales en España es el que se muestra en la Figura 24.8. Tras haber eliminado las impurezas de los aceites vegetales usados, estos pueden utilizarse directamente como combustible. El uso de los aceites vegetales como carburante para motores diesel se remonta al siglo XIX, cuando Rudolf Diesel inventó el motor de combustión interna alternativo de autoencendido. Posteriormente, a medida que este motor evolucionaba y debido al bajo coste y abundancia de los carburantes derivados del petróleo, se pasó a usar como combustible exclusivamente carburantes derivados del petróleo. El aceite vegetal puede almacenarse durante largo tiempo sin deteriorarse, y ser manipulado, transportado y distribuido sin peligro, debido a que no es explosivo, ni inflamable, ni desprende gases tóxicos o cancerígenos. El aceite vegetal únicamente puede utilizarse en motores diesel porque no es lo suficientemente inflamable para poder hacerlo en motores de gasolina. Debido a toda la serie de inconvenientes que puede tener el uso de aceites vegetales como tales, en los motores diesel existe una alternativa que solventa el problema consistente en la mezcla de

Figura 24.8. Consumo de los aceites vegetales en España (en porcentaje).


los aceites vegetales con gasóleo. Se han realizado ensayos de corta y larga duración: los primeros demuestran que tanto para motores de ensayo como para vehículos que las mezclas (aceite más gasóleo) muestran un buen comportamiento del motor; por el contrario, en los ensayos de larga duración se ha comprobado que existen problemas de durabilidad de los motores y un aumento de emisiones de CO e hidrocarburos inquemados. Los principales problemas de los aceites vegetales como combustibles en los motores son: su elevada viscosidad y bajas volatilidades comparadas con el gasóleo. Aceites vegetales residuales

Los aceites vegetales usados constituyen una materia prima de gran volumen, en origen residual y altamente contaminante y, a su vez, una fuente de energía que la sociedad sigue desaprovechando, con la consecuente disminución de la eficiencia energética, principio que en nuestros días es indicativo de la poca concienciación ambiental. Los aceites vegetales usados, a pesar de no ser tóxicos (no obstante, algunos investigadores insisten en la formación de compuestos tóxicos con las sucesivas frituras y usos), en la actualidad son un problema ambiental importante, debido a que su principal destino suele ser los ríos, los mares y el medio ambiente en general, a los que llegan principalmente a través de la red de alcantarillado. En España, dos tercios de ese aceite acaba en la red de alcantarillado, encareciendo y complicando el tratamiento de las aguas residuales, provocando problemas operativos en las redes de saneamiento y bombeos, atentando contra el medio ambiente y poniendo en peligro la salud de las personas. En las EDAR los aceites provocan una disminución del rendimiento de depuración, además de un aumento en el consumo de energía en la depuración de las mismas. Se estima que el gasto energético adicional que los aceites provocan en las EDAR es de un 25%. El uso de los aceites vegetales en los piensos comporta riesgos sanitarios, como por ejemplo concentraciones indeseables de materias contaminantes, en especial las PAH, PCB, dioxinas y sustancias asociadas, de ahí que la Directiva 1999/29/CE, relativa a las sustancias y productos indeseables en la alimentación animal, recomien-

377

de regular la presencia de aceites de cocina reciclados en las materias primas grasas para piensos. Dicha Directiva ha sido modificada por la Directiva 2001/102/0CE y transpuesta al ordenamiento jurídico español mediante el RD 747/2001, de 29 de junio, por el que se establecen las sustancias y productos indeseables en la alimentación animal. Los aceites vegetales antes de ser utilizados como materia prima en fabricación de biocombustible o como materia prima en otros procesos deben pretratarse. Las etapas más importantes para la obtención de biodiesel a partir de aceites vegetales usados son las siguientes: •

•

•

•

•

Decantación-centrifugación: eliminación de sólidos en suspensión y materias sedimentables. Secado: es preciso eliminar la humedad que pueda llevar el aceite para evitar problemas posteriores en la calidad de los productos (biodiesel, glicerina, etc.). Esterificación: en el caso de que el aceite tenga una acidez superior al 2%, se debe realizar previamente una esterificación, de esta forma se eliminan reacciones no deseadas de saponificación que generarían jabones. De la reacción del ácido graso con el alcohol se obtienen éster y agua. Transesterificación: los ésteres metílicos de los aceites se pueden obtener mediante diferentes tecnologías de transesterificación catalítica, en las que se hace reaccionar el aceite con alcohol de bajo peso molecular (normalmente metanol), en presencia de un catalizador (KOH ó NaOH) a temperatura y presión adecuadas. El resultado de esta reacción es el biodiesel, con un rendimiento en torno al 90% y como subproducto principal glicerina. La tecnología más ampliamente utilizada es la transesterificación en medio básico con metanol. Lavado y secado del biodiesel: el biodiesel está constituido principalmente por mezclas de ésteres metílicos pero también puede contener restos de jabones, glicerina, glicéridos, ácidos grasos libres, agua, etc. La presencia de estos compuestos afectan en mayor o menor medida a la calidad del biodiesel, por lo que con objeto de excluir-

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los, es preciso lavar el biodiesel. Para eliminar el agua de lavado es necesario el secado del mismo. Tratamiento de la glicerina bruta: el glicerol obtenido es una glicerina bruta con presencia de compuestos que no han reaccionado, restos de catalizador, metanol y biodiesel. Por este motivo es necesario realizar esta operación no solo para valorizar la glicerina, sino también para optimizar la conversión de aceite en éster.

ASPECTOS ÉTICOS, AMBIENTALES Y ECONÓMICOS RELACIONADOS CON LOS BIOCOMBUSTIBLE A primeros de 2007 comenzaron a saltar las primeras alarmas que la producción de biocarburantes generaba en la economía básica de los países en vías de desarrollo: así, México exclamó que el precio de las tortillas de maíz (alimento básico de sus habitantes) había aumentado un 70% en 2007 ya que el 18% de la cosecha de maíz se destinaba a EE UU para la producción de bioetanol. Algo semejante aconteció con la soja y, en general, con los cereales, cuyo precio se disparó a finales de 2007. Por todo ello los investigadores están constantemente buscando nuevas posibilidades. Una especie tropical que parece tener un gran futuro es la jatrofa (Eutropha eurcas). Se trata de un arbusto original de India y Madagascar (en 2007 se estaban llevando a cabo cultivos experimentales en Egipto y Colombia) capaz de producir grandes cantidades de biodiesel. A diferencia de otras oleaginosas, como la soja, la jatrofa no es apta para el consumo humano ni animal, debido a su elevada toxicidad. Otra ventaja es que su fruto, semejante a una nuez, con tres semillas en su interior, genera diez veces más que la soja. También tiene una cantidad de azufre inferior a las oleaginosas citadas anteriormente, lo que le permite ser usada en los motores diesel modernos. Desde el punto de vista ambiental la jatrofa tiene la virtud de crecer en suelos desérticos o baldíos, como los impregnados o saturados de pesticidas. Ello constituye un acicate para países pobres. La India ha diseñado un plan para cultivar esta planta en el estado de Andra Pradesh, en el sudeste del país, después de que la compañía estatal

de ferrocarriles lo probara en sus locomotoras diesel. En estas condiciones, una superficie de 1.000 hectáreas puede producir dos millones de litros de biodiesel al año. Además, el gobierno hindú está trabajando para lograr una variedad genéticamente modificada que produzca un 40% más de aceite que produce la planta actual. Una especie de características semejantes a la citada jatrofa es el cardo (Cynara cardunculus) ya que se trata de una planta de secano bien adaptada al clima mediterráneo, mientras que la colza precisa latitudes más altas. Su cultivo masivo permitiría recuperar tierras abandonadas y dar rentabilidad a los agricultores. De las semillas, por prensado, se extrae el aceite y el resto del vegetal, una vez seca, o semiseca, se usa como materia orgánica para biocombustible. En línea semejante, un grupo de investigadores chilenos del Instituto Forestal INFOR, entre los años 2001 y 2005, han desarrollado unas variedades de eucalipto que se adaptan bien a las zonas áridas y semiáridas (IV y VI región del país andino). El proceso seguido pasa por la propagación clonal del eucalipto a través de un cultivo in vitro, lo que permite facilitar la clonación de individuos de características superiores. Gracias a ello el crecimiento favorable ha permitido el retorno de la inversión, se sitúa sobre los diez años. No cabe duda de que en los próximos años se asistirá a una explosión de nuevos descubrimientos de especies, en particular algas, y una profundización en la obtención de vegetales modificados genéticamente. Así, en el sur de la costa patagónica (Argentina) se han descubierto unas algas de aplicación energética. Una hectárea de soja produce 400 litros de aceite, mientras que estas algas, a igualdad de superficie, pueden producir más de 100.000. Es decir, una productividad 250 veces superior sin interferir en un doloroso debate ético que cuestiona el destino de plantas alimenticias, soja, a la fabricación de biocarburantes. El genetista visionario Craig Venter ha catalogado ya miles de genes especializados en captar luz de distintas longitudes de onda. Planea crear una bacteria artificial que lleve una ristra de ellos y pueda aprovechar un espectro muy amplio de la luz. La futura bacteria convertiría en hidrógeno un 10% de la energía solar recibida, y con una superficie de cultivo de 13.000 kilómetros cuadra-


dos bastaría para subvenir todas las necesidades energéticas de transporte en EE UU. Entre 2005 y 2006 el citado investigador y sus colaboradores en una travesía oceánica, han conseguido detectar más de seis millones de nuevos genes y proteínas de microbios marinos con las funciones más sorprendentes. Desde genes que permiten aprovechar la energía solar en formas novedosas a otros que ayudan a usar el nitrógeno, pasando por los que otorgan protección contra los rayos ultravioleta. Algunos investigadores apuntan a la posibilidad de cultivar en gigantescas piscinas de agua salada un tipo de alga capaz de conseguir un rendimiento por hectárea muy superior, centenares de veces, al girasol, colza o soja. En este sentido toma pleno sentido el desarrollo de variedades transgénicas. Casi cada día sale a luz pública la obtención de una nueva variedad transgénica. A primeros de 2007, la Universidad de Gainesville (Florida, EE UU) obtuvo un tomate que contiene 25 veces la cantidad de ácido fólico de un tomate normal. Así el consumo de un solo tomate al día es suficiente para la aportación de folatos vía alimentos. Desde ámbitos conservacionistas se denuncia que el impacto de los monocultivos (soja o caña de azúcar) puede acabar con la biodiversidad en muchas zonas, que suelen derivar en erosión del terreno y filtración de nutrientes. Los monocultivos (en Argentina y Paraguay) han provocado desplazamientos masivos de la población hacia las ciudades y contaminación en los campos. Ecologistas locales denuncian que han transformado el paisaje en “campos de petróleo”. Otros apuntan sobre el peligro de la deforestación masiva (básicamente para el cultivo de la palma y la soja). En Indonesia, Veterinarios sin Fronteras han denunciado que los planes de desarrollo de biocarburantes prevén multiplicar por 40 la producción de aceite de palma, lo que destruirá 43 millones de hectáreas. El Reino Unido y la Unión Europea en su conjunto deberían renunciar a la promoción indiscriminada de los biocombustibles porque causan más daños que beneficios para el medio ambiente y perjudican a los países más pobres, según un nuevo informe parlamentario británico, elaborado a primeros de 2008. El comité de Auditoría Medioambiental acusa en su informe al gobierno de Londres de apoyar los biocombustibles sin asegurarse de que su producción no dañará a la selva tropical, no

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causará escasez de alimentos en los países en vías de desarrollo y no contaminará las vías de agua. Los diputados británicos critican el hecho de que el gobierno británico no tenga en cuenta las advertencias de destacados científicos de que algunos métodos de producción de biocombustibles tienen un impacto más perjudicial sobre el medio ambiente que los combustibles fósiles tradicionales. Entre los impactos negativos que identifican en su informe figuran la energía utilizada en el cultivo, la recolección, el transporte y el procesamiento de las cosechas, la destrucción de los hábitats naturales y de los bosques tropicales, que atrapan el CO2, y el uso creciente de pesticidas y abonos. Es obvio que si bien la promoción de biocarburantes minimiza la emisión de gases de efecto invernadero, también supone grandes exigencias de recursos terrestres y acuíferos, recurso este último escaso en España. La revista Foreing Affaire ha publicado un extenso artículo firmado por un experto en derecho y economía y otro en alimentación donde ahondan en la preocupación de saciar la sed de los conductores y con agravar la hambruna en el mundo. El informe recuerda que para llenar un tanque de un coche grande (94 litros de bioetanol) se requieren 204 kg de maíz, cantidad que contiene suficiente energía para alimentar una persona durante un año. El Fondo Monetario Internacional ha optado por una vía conciliadora. Es decir, ve los biocarburantes como una solución transitoria, siempre y cuando se promocionen en cantidades limitadas y sean compatibles con la política alimentaria. En su informe de primeros de 2007 alertaba que la soja, el maíz, el trigo y el arroz habían alcanzado un precio récord en 2006, y la tendencia seguía alcista. En otro aspecto diferente pero complementario a los anteriores, Cemitec (Centro navarro de I+D) estudiará y analizará todos los biodiesel que se venden. El motivo es que, debido a la facilidad que representa fabricar biodiesel, se han puesto en el mercado algunos biodiesel de dudosa calidad. Al margen del fraude que ello representa, el fenómeno perjudica a los usuarios del biodiesel (ello explica, por ejemplo, que algunas marcas de automóvil que en Alemania pueden usar hasta un 100% de biodiesel, en España el concesionario de la misma marca no responde de los desperfectos ocasionados si el propietario emplea biodiesel).

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RESIDUOS SECUNDARIOS EN LA GENERACIÓN DEL BIODIESEL Durante el proceso de recolección de las semillas se genera una gran cantidad de residuo, consistente en todo el vegetal menos la semilla propiamente dicha. Por otra parte, el proceso de fabricación del biodiesel genera un residuo muy especial, la glicerina. Residuos vegetales

En términos generales, corresponde a la biomasa residual presente en los residuos generados por la industria agrícola, como son los remanentes de cultivos o bien a través de actividades industriales de transformación de alimentos, donde dichas fracciones no se consideran como parte del cultivo cosechado propiamente como tal. Es una de las fuentes donde la disponibilidad de biomasa para su valorización posee uno de los más importantes potenciales, ya que se trata de actividades que se distribuyen en un amplio espectro de situaciones climáticas, económicas y tecnológicas. Como es característico en la biomasa residual, estos residuos poseen una variabilidad que depende de cada cultivo y sus propiedades intrínsecas. Pueden tener malas condiciones fitosanitarias derivadas de plagas presentes en el cultivo original, que hay que considerar en los tratamientos posteriores que se realizarán. De acuerdo a los datos entregados por la FAO, los más importantes cultivos agrícolas en el mundo son los cultivos de cereales que alcanzan casi un 50% de la superficie cultivada, siguiendo luego los cultivos de oleaginosas con un 16% y las forrajeras con 13%. Los cultivos de árboles frutales, que aportan una cantidad importante de residuos leñosos por las podas, alcanzan una superficie equivalente al 3,4% de la superficie mundial de cultivos. En el caso concreto de los vegetales que proporcionan las semillas, unas especies generan más residuo que otras. Por ejemplo, la palma da lugar a una gran cantidad de residuo una vez extraída la semilla y con ello es perfectamente factible la valorización energética.

Residuo industrial, la glicerina

El auge de la producción de biodiesel está planteando el problema de qué hacer con la gran cantidad de glicerina que se genera como subproducto en el proceso de fabricación de este biocarburante, que cada vez aumenta más como resultado de los objetivos de crecimiento de esta producción. Por cada tonelada de biodiesel se generan 100 kg de glicerina. Solamente la producción de Alemania de ocho millones de toneladas de biodiesel produce 800.000 toneladas de glicerina, más que el total del consumo mundial, estimado en 500.000 toneladas. En España las plantas de biodiesel producían 82.185 toneladas en el primer semestre de 2008, aunque la capacidad de producción a finales de este año era mucho mayor, 3.290.328 toneladas/año (cuatro veces la del año anterior) según APPA, con muchas fabricas paradas o trabajando al ralentí, debido a las importaciones que cubrían hasta un consumo de 212.699 toneladas en este mismo periodo. La glicerina, o glicerol, es un líquido espeso, neutro, de sabor dulce, que al enfriarse se vuelve gelatinoso al tacto y a la vista, y que tiene un punto de ebullición alto. La glicerina puede disolverse en agua o alcohol, pero no en aceites. Muchos productos se disuelven en glicerina más fácilmente que en agua o alcohol, por lo que es, también, un buen disolvente. Su estructura química responde a la fórmula CH2OH-CHOH-CH2OH. Está compuesta de tres carbonos, ocho hidrógenos y tres oxígenos C3H8O3 (1,2,3-propanotriol). Su estructura tiene enlaces simples y es tetravalente. Se trata de un líquido siruposo, incoloro e inodoro, con un sabor dulce a alcohol e insoluble en éter, benceno y cloroformo. Su densidad relativa es de 1,26. Tiene un punto de ebullición de 290 °C y un punto de fusión de 18 °C. La glicerina líquida es resistente a la congelación, pero puede cristalizar a baja temperatura. Aplicaciones de la glicerina

La glicerina se ha venido empleando hasta ahora en cosmética y en algunos productos alimentarios y farmacéuticos. No obstante, estos usos tradicionales son incapaces de absorber la futura producción de glicerina.


El uso más frecuente de la glicerina consiste en la elaboración de resinas alquídicas. Otras aplicaciones son la fabricación de medicinas y artículos de aseo, como pasta de dientes, como agente plastificante para el celofán y como agente humidificante de productos derivados del tabaco. Dado que existen otros productos más baratos, solamente el 5% de la producción industrial de glicerina se destina a la fabricación de explosivos derivados de ella. Por su afinidad con el agua y su viscosidad, la glicerina se utiliza para la tinta de los tampones de sellar. También se usa para lubricar la maquinaria que bombea los productos del petróleo, debido a su resistencia a disolverse en los líquidos del petróleo. Por su alta viscosidad y ausencia de toxicidad, la glicerina es un excelente lubricante para las máquinas procesadoras de alimentos. La glicerina se utiliza también para fabricar jabones transparentes. Los jabones transparentes altamente glicerinados contienen alrededor de un 15%-20% de glicerina pura, conocidos como “jabón de glicerina moldeable” (jabones GM; en inglés Melt & Pour soaps o M&P soaps), son muy fáciles de trabajar por los artesanos manuales. Dado que el mercado de los cosméticos y fármacos presenta muestras de saturación, estas aplicaciones no son consideradas como solución al problema de la glicerina y se está investigando sobre: •

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Utilizar la glicerina como materia prima de plantas químicas que producirían otros productos químicos de más interés y valor comercial. Para reacciones de síntesis con catalizadores para obtener ácido oxálico o ácido succínico o glutárico, que se emplean para fabricar plásticos; o hacer reaccionar la glicerina con otros compuestos y obtener productos para fabricar detergentes u oligómeros utilizables por la industria alimentaria o farmacéutica. Valorización energética. Biodigestión anaerobia. Producción de metanol. Producción de hidrógeno a través de reformado en fase acuosa (APR). Transformación de la glicerina en biodiesel, en fase de proyecto teórico.

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Se ha comprobado que los compuestos que se pueden obtener (éteres o ésteres de glicerina) añadidos en determinadas proporciones en el gasóleo permiten una mejora de sus propiedades en frío, así como una reducción de su viscosidad y de sus emisiones contaminantes.

En la actualidad el glicerol tiene aún un precio relativamente elevado para ser utilizado con fines energéticos, pero el crecimiento exponencial de su producción dará lugar a que exceda la demanda para usos tradicionales, principalmente síntesis de diferentes compuestos de la química fina. Reciclaje de la glicerina

Se están desarrollando muchas tecnologías para acometer los grandes excedentes de glicerina derivado de los procesos de esterificación de los aceites. Uno de los más interesantes es el creado por la empresa canadiense ENERKEM consistente en gasificar la glicerina, convertirla en metanol y volver a usar este alcohol para el mismo fin: la esterificación de los aceites.

RESUMEN PRÁCTICO PARA EL CONOCIMIENTO DE LOS BIOCARBURANTES Los dos grandes biocarburantes existentes están basados en compuestos químicos diferentes: alcoholes y ésteres. Por tanto el destino va a ser diferente: alcoholes para motores de ciclo Otto y ésteres para motores diesel. Seguidamente se realiza una pequeña “guía” para ellos: •

¿Qué coches, técnicamente, pueden usar bioetanol? Todos los de gasolina pueden admitir hasta un 10% de bioetanol (E10). Para usar mayor cantidad, el E85 que está compuesto en un 85% de bioetanol, hay que emplear los vehículos flexibles (flexible fuel vehicle). En España hay modelos de Ford y Opel preparados para ello. Lamentablemente, en España no se comercializa el bioetanol (al haber cada día más coches de gasóleo, hay excedente de gasolina en las refinerías y las petroleras ponen dificultades a la distribución del bioetanol). Sin embargo las gasolinas convencionales contienen etanol a través del aditivo ETBE.

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¿Qué coches pueden usar biodiesel? Todos los vehículos de gasóleo fabricados en los últimos diez años pueden funcionar con el 100% de biodiesel. De momento, en las gasolineras hay mezclas del 10% o 20% de biodiesel con gasóleo (B10 o B20) y alguna de B100. Aspectos económicos de los biocarburantes. En la actualidad en España, los biocarburantes están exentos de los impuestos de hidrocarburos, lo que permite un precio de venta igual al procedente de los combustibles fósiles. Se espera que fabricados en

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grandes cantidades, los precios se equipararán. ¿Qué cantidad produce España? Hasta 2006, España no era un gran productor de biocarburantes. Según datos de la APPA, España produjo, como ya se ha comentado, 82.185 toneladas de biodiesel y 108.225 toneladas de biotanol en el primer semestre del 2008. Curiosamente las plantas de biodiesel están paradas o casi, se importa biodiesel y se exporta bioetanol, y no se cumple con los objetivos de la directiva europea que obliga a unos mínimos de consumo.

Introducción a los combustibles de segunda generación Por biocombustible se entiende toda aquella materia orgánica de origen no fósil con potencial para producir energía mediante procesos que generen gases o líquidos combustibles. La biomasa se puede considerar un biocombustible para valorizar energéticamente y obtener electricidad, o puede ser utilizada para la elaboración de otros biocombustibles. En el presente se hace referencia únicamente a los combustibles que pueden utilizarse en automoción, sin perjuicio de que estos mismos puedan usarse para nuevos procesos de generación eléctrica. Actualmente se está asistiendo a un rápido aumento de la capacidad de producción de biocarburantes, especialmente de biodiesel y de bioetanol, que en los próximos años podrán satisfacer parte de una demanda que parece estar espoleada desde las administraciones públicas. La principal barrera que tenían estos carburantes era su coste elevado respecto al de los carburantes procedentes del petróleo, situación que la administración intentaba subsanar eximiéndolos del pago de impuestos. El aumento incontrolado e impredecible del precio del crudo ha convertido en inversiones interesantes la producción de combustible de otras fuentes, entre ellas la obtención de biocarburantes a partir de biomasa. La Tabla 24.8 da una idea del consumo de energía en Europa (25 países) según su procedencia. De este consumo de energía primaria en Europa, 882.301 ktep fueron producidas en Europa y

907.216 ktep fueron importadas, siendo la diferencia con respecto al consumo la parte correspondiente a exportación. Lo más importante es, sin embargo, los incrementos anuales alrededor del 4%. Esta dependencia energética del exterior es otro de los dos factores que impulsan a las administraciones públicas a incentivar los sistemas de producción energética a partir de fuentes propias. Tabla 24.8. Consumo de energía primaria en Europa (25 países) en ktep en 2005 (1ktep = 11,63 GWh). Consumo total

1.746.880

Combustibles sólidos

311.954

Crudo y productos petróleo

650.563

Gas natural

417.581

Energía nuclear

254.361

Renovables

109.194

El potencial de biomasa en la UE

Por biomasa se entiende: •

•

• •

Cultivos energéticos agrícolas o forestales: cardo, sorgo, girasol, maíz, soja, chopos, eucaliptos, robinias, etc. Residuos de cultivos agrícolas y de la industria agroalimentaria: paja, restos de cereales y especies herbáceas y cultivos leñosos, vid, frutales, frutas, etc. Residuos silvícolas y forestales: podas y clareo de bosques, cortas finales, etc. Residuos ganaderos.


•

•

Residuos orgánicos industriales: procedentes de la industria agroalimentaria, animales, vegetales y grasas. Fracción orgánica de los residuos municipales: materia orgánica de origen animal o vegetal, descartando los plásticos.

Según un estudio de la EEA (Agencia Europea de Medio Ambiente), que evalúa la cantidad de biomasa para obtención de energía renovable que se puede extraer sosteniblemente de Europa (25 países), se cifra y estima el consumo y potencial de energía primaria en forma de biomasa de la siguiente manera: • • •

Uso de biomasa en 2003: Potencial en 2010: Potencial en 2030:

69 Mtep. 190 Mtep. 295 Mtep.

El uso de biomasa para alcanzar el objetivo europeo de energía renovable en 2010 sería 150 Mtep (el 20% del total de energía primaria), objetivo para el que hay capacidad pero que resulta inalcanzable si se mantiene el actual ritmo de crecimiento. El uso del potencial de biomasa en 2030 supondría evitar emitir entre 400-600 Mt de CO2. El potencial de extracción de biomasa, de manera ambientalmente sostenible, se puede dividir en biorresiduos, cultivos energéticos y masas forestales. Los datos de potencial energético de estos residuos están elaborados por la EEA y reflejan las políticas de la UE y las realidades geográficas de todos los países, aunque no incluye datos de Malta, Grecia, Chipre ni Luxemburgo. Las Figuras 24.9 y 24.10 indican los potenciales de los biorresiduos y

Figura 24.9. Potencial energético de los biorresiduos de la UE en 2010.

Figura 24.10. Potencial energético agrícola en la UE.

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de los cultivos energéticos para distintos horizontes de tiempo. En España, el uso de la biomasa forestal se halla lejos de los parámetros que debiera, en gran parte por la especial climatología: casi cada verano se repiten episodios de incendios forestales. En 2007, los incendios forestales arrasaron 82.027 hectáreas, la menor superficie forestal quemada en la última década, y un 48% menos de lo que destruyó el fuego en 2006 (155.362 hectáreas). El porcentaje de superficie afectada por el fuego en 2007 representa un 0,317% del territorio nacional. Los peores años de la década desde 1997 fueron 2005 (188.697 hectáreas) y 2000 (188.585), y el mejor fue 1999, en el que la superficie quemada (82.217) fue similar a la de 2007.

LOS CARBURANTES OXIGENADOS El biodiesel, ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga, o el bioetanol, etanol procedente de biomasa, son carburantes oxigenados, y que sus características, obtención y aplicación han sido comentados en apartados anteriores. El biometanol, metanol producido a partir de la biomasa, también tiene gran interés, por sus características. El metanol, ofrece mayor eficiencia en la combustión que la gasolina y permite sistemas de refrigeración por aire, mucho más ligeros, sobre todo en motores específicamente diseñados (no los flexible fuel vehicles). También al ser un compuesto químico prácticamente puro y muy volátil reduce las emisiones contaminantes de inquemados (velocidad de llama elevada), partículas, N y S prácticamente a cero. Los inconvenientes del metanol es su miscibilidad en agua a cualquier proporción puesto que es muy dipolar (no así el etanol) y por tanto ácidos, bases y sales se encuentran fácilmente solubilizadas pudiendo ocasionar problemas de corrosión en metales como el aluminio o el zinc. Asimismo no es compatible con muchos de los elementos de goma usados en la maquinaria de transporte y distribución de gasolina, por lo que se necesitaría adaptarlos, aunque esto no parece un problema económico insalvable. Al no tener compuestos altamente volátiles, como la gasolina, puede dar problemas de arranque de motor en climas fríos, pero el uso de la mezcla M85

(85% metanol, 15% gasolina) es suficiente, o bien adaptar los dispositivos para micronizar el metanol en el arranque. El metanol es principalmente una materia prima para la industria química y se produce en grandes cantidades. En el año 2004 se produjeron 32 millones de toneladas, el 70% de las cuales se destinó a la fabricación de formaldehído (38%), metil tert-butil éter MTBE (20%) y ácido acético (11%). El MTBE se utiliza como aditivo oxigenado para aumentar el octanaje de las gasolinas sin plomo en sustitución de las sales de plomo, aunque por cuestiones de contaminación del suelo se tiende a sustituir por etanol directamente y ETBE (etil tert-butil éter). La importancia del metanol como carburante en la actualidad está ligada a la producción de hidrógeno, que en el futuro podría constituir un carburante clave para utilizar en pilas de combustible. Actualmente el uso de H2 en el transporte está siendo intensamente estudiado pero no supone una opción comercial todavía. Como fuente para la obtención de hidrógeno, el metanol, debido a la ausencia de enlaces C-C (presente en el etanol), resulta el compuesto idóneo para las opciones de reformado (obtención de H2 y CO) “a bordo” de los vehículos. Estos reformadores, que necesitan 250350 ºC, están en fase de prototipo, investigación y mejora, ya que para aplicaciones móviles con pilas de combustible de membrana de polielectrolito (PEMFC) es necesario generar la temperatura necesaria para el reformado y porque a temperaturas menores de 100 ºC, como las que operan las PEMFC, el CO es un veneno en concentraciones superiores a 100 ppm. El reformado de metanol, de momento, no ofrece hidrógeno suficientemente limpio y solo va bien sin depurar para pilas de alta temperatura, como las de carbonato fundido u óxido sólido usadas en aplicaciones estacionarias. El reformado de otros hidrocarburos, como gasolina o gas natural, requiere alrededor de 600 ºC. El reformado de metanol es también una opción para realizarlo in situ en las estaciones de servicio y poder llenar los tanques de H2 de los vehículos. Por otro lado, se debe tener en consideración el uso de biometanol en las pilas de combustible de metanol directo (DMFC).


BIOCARBURANTES SINTÉTICOS. SÍNTESIS DE FISCHER-TROPSCH La síntesis de Fischer-Tropsch (FT) es un proceso químico para la producción de hidrocarburos líquidos (gasolina, queroseno, gasoil y lubricantes) a partir de gas de síntesis (CO y H2). Fue inventado por los alemanes Franz Fischer y Hans Tropsch en la década de 1920. La síntesis Fischer-Tropsch convierte una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, conocida como gas de síntesis o gas pobre, en hidrocarburos con mayor peso molecular. Puede considerarse como una polimerización catalítica del monóxido de carbono, acompañada de la reacción con hidrógeno para hacer unidades de metileno CH2 de parafinas. CO + H2 o (CH2)n- + H2O Se trata en ambos casos de reacciones muy exotérmicas, es decir, que liberan una gran cantidad de calor. También se producen reacciones secundarias indeseadas: • • •

Producción de metano. Producción de alcoholes. Deposición de carbono sólido.

La reacción se lleva a cabo sobre catalizadores de cobalto o hierro. Para un buen rendimiento se requiere alta presión (alrededor de 20-30 bares) y temperatura (200-350 ºC). Por encima de los 400 ºC la formación de metano resulta excesiva. Las reacciones principales de Fischer-Tropsch son, en realidad, reacciones de polimerización consistentes en cinco pasos básicos: • •

• • •

Adsorción de CO sobre la superficie del catalizador. Iniciación de la polimerización mediante formación de radical metilo (por disociación del CO e hidrogenación). Polimerización por condensación (adición de CO y H2 y liberación de agua). Finalización. Desorción del producto.

La velocidad de reacción está limitada por la cinética y en particular por el paso de polimerización por condensación. Debido a que la síntesis FT comienza con monóxido de carbono, potencialmente puede utili-

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zarse cualquier fuente de carbono. Las primeras plantas FT utilizaron carbón como materia prima, esta conversión se llama carbón a líquidos. La CTL (carbon to liquids) está despertando un interés renovado en la actualidad en China y en los EE UU (países con mucho carbón). Productos

El producto obtenido a la salida de un reactor de Fischer-Tropsch consiste en una mezcla de hidrocarburos con una distribución muy amplia de pesos moleculares, que van desde los gases hasta las ceras pasando por la gasolina, el queroseno y el gasóleo. La naturaleza y proporción de los productos depende del tipo de reactor y de catalizador. En general los procesos que operan a alta temperatura producen una mayoría de gasolinas olefínicas mientras que los de baja temperatura dan sobre todo gasóleos parafínicos. Siempre es necesaria una etapa ulterior de hidrotratamiento para que los productos alcancen la calidad exigida por el mercado. El gasoil obtenido mediante el proceso FischerTropsch tiene las ventajas de que apenas contiene azufre (con lo cual respeta de forma natural las restrictivas reglamentaciones en vigor en Europa) y tiene un alto índice de cetano, gracias a su bajo contenido en aromáticos. Por ello, es un combustible con fácil salida al mercado. La producción de gasolina y gasoil a partir de carbón vía el proceso FT sería positiva desde el punto de vista de la independencia energética para los países que disponen de carbón y no de petróleo, pero resultaría negativa en cuanto al impacto sobre el cambio climático. El CO2 no es emitido en la reacción de FT en sí misma sino en la etapa previa de gasificación y en la posterior combustión del gas de síntesis no convertido. Si bien el proceso de gasificación teóricamente permite la captura y secuestro del CO2, a día de hoy (2009) aún no existe ninguna planta de gasificación a escala industrial que incluya esta opción. Solo si se utiliza biomasa como materia prima puede el proceso FT alcanzar un nivel de emisiones de gases de efecto invernadero comparables o incluso inferiores a las del petróleo. El proceso FT no es la única vía para convertir carbón en combustibles líquidos. La alternativa

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principal es la licuefacción directa del carbón, que ostenta más o menos las mismas desventajas que la vía FT. En cuanto al FT a partir de gas natural, solo es rentable económicamente si algún obstáculo impide la comercialización directa del gas. Ello ocurre, por ejemplo, en yacimientos pequeños situados lejos de los terminales de licuefacción. La actual generación de plantas FT utilizará gas natural como materia prima, esta conversión se llama gas a líquidos o GTL (gas-to-liquids). La biomasa también puede utilizarse como materia prima previa gasificación para producir gas de síntesis, este proceso se llama conversión de biomasa a líquidos o BTL (biomass-to-liquid). Los líquidos FT producidos a partir de cualquier materia prima son esencialmente los mismos, ya que la conexión con la materia prima se pierde durante la conversión a gas de síntesis. Combustibles sintéticos para aviación

El combustible para aviones fabricado a partir de carbón por medio de la síntesis de FischerTropsch en la actualidad se lleva a cabo por su productor Sasol (utiliza el proceso FT para producir combustibles sintéticos en Sudáfrica, en el aeropuerto de Johannesburgo) y está siendo utilizado por todos los aviones comerciales que pasan por este aeropuerto. El Subcomité D02.J0 sobre combustibles para aviación, que forma parte del Comité D02 sobre productos de petróleo y lubricantes, aprobó este combustible con la revisión de la Norma D 1655, especificación para los combustibles para turbinas de aviación, al permitir hasta un 50% de mezcla con combustible derivado del petróleo para aviones. Con excepción de Sasol, el proceso FT no ha sido ampliamente utilizado para producir combustibles sintéticos porque el proceso es más costoso que refinar petróleo. Sin embargo, recientes incrementos en el precio del petróleo crudo y mejoras en el proceso FT han causado el resurgimiento del interés en este sistema para producir combustibles sintéticos. El Subcomité D02.J0 también está desarrollando una lista de propiedades del combustible para aviones que puede agregarse a la especificación de combustible para aviones, esto garantizará

que los combustibles sintéticos para aviones sean aceptables independientemente del productor y las variaciones de los métodos de producción. Afortunadamente, la adopción de este protocolo de aprobación estimulará el uso más amplio de combustible sintético para aviones. El proceso FT produce principalmente cadenas de hidrocarburos rectas. La composición del producto variará algo según la relación hidrógeno a monóxido de carbono, y también según el catalizador y las condiciones de proceso. Este producto crudo de la síntesis FT debe elaborarse aún para que el combustible sea aceptable. Este procesamiento incluye romper las largas cadenas en unidades más pequeñas y reacomodar algunos de los átomos (isomerización) para brindar las propiedades deseadas. Este proceso de mejora produce un material de amplio rango de ebullición, que luego se destila para obtener los productos finales. El proceso FT da como resultado un producto virtualmente libre de compuestos aromáticos. Existen dos desventajas al no haber aromáticos en el combustible. En primer lugar, el queroseno de FT, que cumple con todas las otras propiedades en la especificación de combustible para aviones, estará por debajo del requerimiento mínimo de densidad. Segundo, los aromáticos en el combustible convencional hacen que algunos tipos de elastómeros utilizados en los sistemas de aviación se hinchen. Existe preocupación en la industria por el cambio de combustible tradicional a combustible sintético de FT libre de aromáticos, ya que podría hacer que algunos de estos elastómeros se encogieran, lo que ocasionaría pérdidas de combustible. El efecto de los aromáticos sobre los elastómeros es un área de intensa investigación en la industria. Estas dos desventajas desaparecen cuando el combustible sintético se mezcla con el combustible para aviones convencional. El combustible convencional para aviones provee los aromáticos que hacen que el elastómero se hinche y también aumentan la densidad del combustible para que cumpla con el requisito mínimo. A modo orientativo, la industria está utilizando un 8% de contenido en aromáticos. Este mínimo se basa principalmente en la experiencia y puede revisarse en el futuro, sufriendo incrementos o reducciones, según nuevos datos.


La industria de la FT parece estar al borde de un periodo de expansión. Varias empresas importantes han anunciado planes para construir grandes plantas, que en caso de concretarse, podrían rendir alrededor de un millón de barriles por día de producto total para 2020, parte de los cuales podrían utilizarse como combustible para aviación. ¿Por qué los combustibles sintéticos necesitan una aprobación especial?

Las especificaciones para el combustible destinado a aviones no son verdaderas especificaciones, se basan en la experiencia con combustible para aviones derivado del petróleo, en consecuencia, las especificaciones incluyen suposiciones implícitas que los combustibles convencionales para aviones cumplen. Por ejemplo, debido a que las especificaciones limitan la concentración máxima de aromáticos, pero no especifican un mínimo, un combustible con cero aromáticos cumpliría con esta parte de la especificación. Debido a que los combustibles para aviones con alto contenido de aromáticos no combustionan tan limpiamente como aquellos con un contenido más bajo de aromáticos, las especificaciones incluyen una concentración máxima de aromáticos para limitar este efecto. Históricamente, no ha habido necesidad de definir una concentración mínima de aromáticos porque el queroseno derivado del petróleo refinado convencionalmente tiene una gran concentración de aromáticos, por lo general entre 8 y 22% por volumen. El rango de ebullición es otro ejemplo de las suposiciones implícitas en las especificaciones del combustible para aviones. Las especificaciones incluyen un límite máximo de 205 °C en el punto de ebullición del 10% del combustible y un límite máximo de 300 °C en el punto de ebullición final. Un componente con un punto de ebullición de 200 °C o menos, cumple con el requisito de destilación, sea o no la intención o expectativa de la especificación. El procesamiento típico en una refinería producirá combustibles con una suave distribución del rango de ebullición. Históricamente, todos los combustibles utilizados en la prueba y desarrollo de motores han tenido esta propiedad. Por lo tanto, las especificaciones incluyen solo límites mínimos

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para las propiedades de destilación, y la industria confía (por su conocimiento y experiencia) en que el combustible para aviones derivado del petróleo procesado convencionalmente tendrá la suave distribución del rango de ebullición deseada. Cuando se consideran los combustibles sintéticos, estas suposiciones implícitas deben ser reconocidas. El combustible en cuestión debe cumplir con el requisito último (combustible para aviación que se adapte al propósito) además de cumplir lo que indican las especificaciones, que fueron desarrolladas para el uso con combustible derivado del petróleo. En la actualidad, existe solo un combustible no convencional aprobado para el uso en aviación. El queroseno sintético FT producido a partir de carbón por Sasol en Sudáfrica puede mezclarse con combustible tradicional para aviones hasta en un 50% por volumen (combustible semisintético para aviones). Esta aprobación, que está escrita tanto en la norma del Ministerio de Defensa del Reino Unido como en las especificaciones de ASTM, fue otorgada solo después de realizarse pruebas extensas para determinar si el combustible mezclado cumplía con el requisito de ser apto para la aplicación. Algunas de las propiedades probadas del combustible fueron la constante dieléctrica, la conductividad térmica, el calor específico, los módulos a granel, la solubilidad en el aire, la tensión superficial, la estabilidad térmica y en almacenaje, la solubilidad de aditivos y su eficiencia, y la compatibilidad con los elastómeros. Esta es solo una lista parcial de las pruebas realizadas para garantizar que ninguna de las suposiciones implícitas en la especificación fuera violada y que el combustible semi-sintético fuera apto para el propósito. La aviación comercial está trabajando estrechamente con las Fuerzas Armadas de los EE UU en combustibles FT. El Ministerio de Defensa de los EE UU está a la cabeza en cuanto a actividades sobre combustibles sintéticos FT, impulsado principalmente por la seguridad energética. En 2006, la Fuerza Aérea realizó un vuelo de prueba de un B-52 utilizando una mezcla de 50% combustible sintético con combustible convencional para aviones. El Ministerio de Defensa planea comprar 200 millones de galones de combustible sintético para

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pruebas de campo adicionales. Su objetivo es establecer los requerimientos para el uso operativo de los combustibles FT. El Ministerio ha fijado una ambiciosa meta de utilizar 50% de combustible sintético para 2016. La aviación comercial está trabajando estrechamente con las fuerzas armadas para resolver los temas del combustible sintético. El Subcomité D02.JO de ASTM International contribuirá con ese trabajo desarrollando la especificación y los métodos de prueba que deben existir antes de que los combustibles sintéticos puedan abrirse paso en el mercado.

BIOCARBURANTES DE SEGUNDA GENERACIÓN Los biocarburantes que se describen seguidamente se han concebido para un uso más universal, es decir, no solo para la simple tracción mecánica sino para la generación eléctrica, tanto de manera continua (sistemas convencionales pero más eficientes y menos polucionantes) como discontinua (en turbinas o motores de cogeneración). Etanol lignocelulósico

Estados Unidos consume el 25% de la producción total de crudo pero solo controla el 3% de las reservas, y el Departamento de Energía está impulsando activamente la tecnología para convertir biomasa celulósica en etanol. Bioetanol celulósico: es etanol obtenido a partir de biomasa lignocelulósica, material compuesto principalmente de celulosa y hemicelulosa (carbohidratos estructurales de los vegetales) unidas a la lignina que se encuentra en las paredes celulares de las plantas. Es la gran apuesta de Estados Unidos, que impulsa su desarrollo financiando programas de investigación para superar las barreras técnicas para el desarrollo comercial por un importe de 1.100 millones de USD. Los esfuerzos se centran, por un lado, en mejorar la tecnología para romper los enlaces característicos de la celulosa y poder así liberar los carbohidratos para la fermentación alcohólica, y por otro, en investigación genética que ofrezca especies óptimas para el proceso. Básicamente consiste en conseguir que la celulosa y hemicelulosa de los vegetales se puedan

fraccionar a sus unidades inferiores, sacarosa, para así estar disponibles para la fermentación, el proceso ya conocido de obtención de alcohol (etanol) a partir de azúcares (sacarosa). Estados Unidos ha basado la producción de etanol lignocelulósico en el desarrollo tecnológico del proceso, en que entran en juego: • Ingeniería genética para conseguir especies más fácilmente sacarificables. • Mejorar las enzimas que sacarifican la celulosa. • Mejorar los microorganismos que fermentan la sacarosa. • Mejorar el proceso tecnológico de manera global: biorrefinería. El objetivo consiste en disponer de una mayor variedad de materias primas, desde la planta entera del maíz (no solo el grano como actualmente se usa) a restos vegetales de podas o a plantas herbáceas de rápido crecimiento. Los inconvenientes de esta tecnología son los relativos a pérdida de biodiversidad por homogeneización de cultivos herbáceos e introducción en el medio de organismos modificados genéticamente. En el desarrollo de esta tecnología en Estados Unidos está implicada la empresa española Guascor, aunque en la Comunidad Europea esta vía está muy atrasada con respecto a Estados Unidos. DME- Dimetil éter

Es el éter más sencillo y es inocuo para el medio ambiente. Actualmente se usa principalmente como propelente y se perfila como uno de los combustibles perfectos para sustituir al diesel en motores de combustión interna cambiando el sistema de inyección. Es un gas a temperatura ambiente que licua a -25 ºC y puede ser fácilmente almacenado en tanques a presión y usar la infraestructura propia de los GLP. Tiene un mayor índice de cetano que el gasoil y el metanol. Su combustión no produce partículas, SO2 y poco NOx. Esto lo convierte en un perfecto sustituto para el gas natural en turbinas, cocinas y hornos industriales. Se obtiene a partir de la deshidratación del metanol, por lo que puede poducirse a partir de diferentes fuentes, fósiles como carbón o gas natural, o biomasa. El carbón y la biomasa se gasifican para obtener el


gas de síntesis a partir del que se produce el metanol. Actualmente se ha desarrollado un proceso que combina la síntesis de metanol a partir del gas de síntesis con la deshidratación. El DME, aunque no para uso común en vehículos, está teniendo mucha aceptación como vector energético equivalente al GLP, especialmente en países emergentes con grandes reservas de carbón o gas, como China o Irán, que desean evitar el exceso de contaminación sin modificar sus usos habituales. La Figura 24.11 muestra, de manera simplificada, las vías de obtención de los diferentes biocarburantes a partir de los tipos de biomasa específica y a continuación se hace un pequeño repaso a los biocombustibles con mayores perspectivas. Como muestra la Figura 24.11, la tecnología actual permite obtener toda una gama de combustibles: • • •

Sólidos. Líquidos. Gaseosos.

Figura 24.11. Vías de obtención de biocarburantes.

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OTROS AVANCES EN BIOCARBURANTES El éxito de los biocarburantes y sus perspectivas de futuro han impulsado la investigación y la aparición de algunas propuestas en fase de desarrollo que pretenden dar respuesta a las problemáticas desarrolladas en este capítulo. Por ejemplo, diversas empresas y universidades están desarrollando sistemas de cultivo de algas microscópicas (fitoplancton) que tienen la capacidad de almacenar sus reservas energéticas en forma de aceites (de esta manera son menos densas que el agua y flotan para absorber mejor la radiación solar), por lo que podrían devenir fuente de aceites para la elaboración de biodiesel. A partir de esta premisa se estudian diferentes procesos, la mejora genética para aumentar la capacidad de almacenamiento de aceite, la posibilidad de utilizar aguas residuales como fertilizante para el cultivo de las microalgas, la obtención de combustible o el compostaje de los restos de las algas una vez extraído el aceite, o la obtención de otras substancias de valor (por ejemplo, farmacéutico) de las algas como coproductos para aumentar la rentabilidad.

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En mayo de 2007 la Universidad de Alicante presentó un proyecto para construir una central eléctrica de 30 MW usando una hectárea de mar donde instalar cilindros de ocho metros de altura y 70 cm de diámetro. La biomasa (algas) se alimenta con poco fósforo y nitrógeno. Esta estrategia cumple, a su vez, otro cometido que consiste en el uso de estos elementos (P y N) que causan eutrofización en el medio. En el mismo sentido, la UE ha financiado el proyecto “Vertigro” para la obtención de biodiesel. En la universidad de Georgia (EE UU) se trabaja en la obtención de aceites pirolíticos que sean perfectamente homologables con los biodiesel. Otro proceso, desarrollado en el Ciemat, consiste en llevar a cabo una catálisis enzimática para transformar los aceites vegetales a biodiesel a temperatura ambiente evitando así todo el proceso tradicional. En la Parte VI de esta obra se amplían estos temas. Etanol a partir de residuos

Otras iniciativas van en la dirección de obtener biocarburantes de segunda generación de flujos concretos de residuos, como recuperar el alcohol vínico (etanol) de los excedentes de la industria vinícola, fermentar residuos agroalimentarios como las pulpas de la industria del zumo (etanol) o convertir residuos plásticos y biomasa en líquidos (biopetróleo) o gases combustibles (biogás) mediante gasificación o pirólisis, que requieren un desarrollo tecnológico considerable. Los materiales lignocelulósicos están compuestos, en su mayor parte, de dos polímeros de carbohidratos: la celulosa y la hemicelulosa. Una fracción importante de los RSU posee un contenido importante de material celulósico potencialmente convertible en glucosa por hidrólisis ácida y a etanol por fermentación. El etanol puede alcanzar una pureza del 99,5%. Biodiesel a partir de residuos

De la misma forma, la firma comercial Sanea está realizando pruebas industriales de la obtención de un combustible, “diesel sintético”, a partir de la fracción resto de recogida urbana y residuos de origen industrial. Mediante un pretratamiento y

trituración seguida de una despolimeración catalítica según patente KDV se obtiene un combustible diesel.

EMPLEO DE BIOMASA MODIFICADA GENÉTICAMENTE La necesidad de buscar una biomasa para la producción de biocarburantes que no compitan con los alimentos y las incesantes noticias sobre bacterias modificadas genéticamente (obtención de biodiesel que usa como materia prima azúcares o material celulósico fermentado por bacterias modificadas genéticamente) ha destapado el siempre polémico uso de los OMG (organismos modificados genéticamente). Todas las empresas que producen cultivos transgénicos, Syngenta, Monsanto, Dupont, Dow, Bayer, BASF, tienen inversiones en cultivos diseñados para la producción de biocombustibles, como son el etanol y el biodiesel. Syngenta trabaja en colaboración con Diversa Corporation para desarrollar un maíz que produce por sí mismo una enzima que lo convierte en etanol, la cual proviene de una bacteria extremófila que soporta altas temperaturas, tomada de la colección de bacterias que esa empresa ha recolectado en varios países del mundo. Diversa tiene una colaboración similar con Dupont, que a través de su subsidiaria Pioneer Hi-Bred desarrolla un maíz con mayor contenido de almidón y celulosa. Para ello están usando una enzima que proviene de una bacteria manipulada (Zymomonas mobilis), la cual se encuentra en forma natural en el agave. En ambos casos, la manipulación genética compromete el uso del maíz como cultivo alimentario, agregando riesgos a los casos de contaminación que pudieran ocurrir. Parece obligado destinar un párrafo a hablar de los OMG, también denominados transgénicos, y su relación con la sostenibilidad. Los OMG se deben diferenciar de acuerdo con las formas básicas de conseguirlos: •

•

Modificando un gen o genes existentes, tal sería el caso del intento de suprimir el gen responsable de la aparición de cuernos en el ganado vacuno o el gen que regula el ablandamiento de los tomates. Introduciendo un gen pero que pertenece a la misma especie. Como se ha hecho con


•

la introducción de genes de cierto tipo de maíz de Centroamérica (una variedad de Guatemala resiste muy bien el ataque de ciertas plagas) para introducirlo en la variedad cultivada en EE UU. Extrapolando esta tendencia se llegaría a la extinción de ciertas especies interesantes y con ello la pérdida de la biodiversidad. Introduciendo un gen de un organismo en otro que pertenece a otra especie. Tal es el caso de la creación de un tipo de colza y maíz con la introducción de un gen de una bacteria presente en los suelos que los hace inmunes al ataque de plagas de insectos.

Los últimos avances en ingeniería genética han llevado a los científicos a conocer el mapa genético de las plantas y poder así incidir sobre sus características. Estas investigaciones han dado lugar al desarrollo de la biotecnología. Los científicos han introducido genes en las plantas originales, produciendo en estas nuevas semillas de características diferentes a las iniciales. Las primeras cosechas comercializadas que estaban modificadas genéticamente se plantaron en 1995. Hasta la actualidad la mayor parte de los organismos modificados genéticamente y que se han comercializado son resistentes a las diferentes plagas. Las diferentes opciones de la nueva tecnología se usan profusamente y pueden dar lugar a confusiones, por ello es conveniente aclarar las definiciones básicas: •

•

La Biotecnología está definida por la OCDE desde 1982 como “la aplicación de organismos, sistemas y procesos biológicos a la producción de bienes en beneficio del hombre”. Así, y para citar un ejemplo sencillo de biotecnología, es la introducción de microorganismos para la producción de determinados alimentos como el yogur o el queso. La Ingeniería Genética es el conjunto de técnicas que permiten modificar el genoma de los seres vivos, dando lugar a la Biología Molecular. Con ello se modifica el ADN y da lugar, cuando se aplica a los alimentos, a los transgénicos.

La aplicación de esta tecnología también ha

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producido aspectos contrarios a lo que pretendía. Las nuevas proteínas, formadas por la alteración genética, pueden originar trastornos alérgicos a los consumidores. Por otra parte los insectos pueden desarrollar resistencias hacia las toxinas producidas por las plantas de forma similar a como lo hacen frente a los insecticidas. Finalmente cabe destacar que el efecto de los genes de insecticida puede alterar la población de microorganismos que son los responsables de la degradación de la vegetación. Las ventajas son igualmente importantes. En primer lugar, el empleo de semillas modificadas genéticamente hace las plantas más resistentes a las enfermedades y plagas con lo que se pueden reducir o suprimir los productos fitosanitarios. Por otra parte, los organismos modificados genéticamente se perfeccionarán y van a ser la salvación para una serie de pueblos que ahora padecen de hambre. Para dar una idea de la magnitud de la importancia de los OMG, en 2005 había más de 90 millones de hectáreas con transgénicos (54,5 millones de ha de soja, 21,2 millones de ha de maíz y 9,8 millones de ha de algodón) en 21 países. El principal país es EE UU con más del 50% de los cultivos, y España ocupa el puesto 14. Aspectos ambientales de los transgénicos Junto con el peligro de pérdida de la biodiversidad, se pueden destacar aspectos positivos del desarrollo de los transgénicos, como: •

•

•

En la medida que se perfeccionen estas variantes se podrá reducir la aplicación de los fitosanitarios y su gran problema ambiental. La fenilcetonuria es una enfermedad hereditaria que afecta a 1 de cada 14.000 recién nacidos producida por una incompatibilidad con la leche (especialmente la materna) que tiene entre otras consecuencias un grave retraso mental y crisis convulsivas semejantes a la epilepsia. Para remediar este problema se ha modificado genéticamente una oveja que da leche casi idéntica a la humana, excepto por los componentes que desencadenan la enfermedad. Vegetales transgénicos con tecnología ARN. En este caso, el vegetal deja de fabricar una

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•

•


proteína suya, pero no fabrica nada nuevo. Por ejemplo, el tomate Flavr Savr, comercializado en EE UU. No hay riesgos ecológicos por el vegetal (si pasara el gen a otra planta, no le serviría de nada, al no tener la misma secuencia de ARNm para hibridar, y aunque la tuviera, simplemente el fruto se ablandaría más despacio). No hay riesgos para el consumidor, ni siquiera de alergias marginales. Tomates resistentes a la sequía, desarrollados en México, a base de modificar el gen que regula el flujo de sustancias químicas dentro y a través de la membrana de las células vegetales. El arroz dorado es resultado de desarrollar variedades de arroz que produzcan provitamina A (betacaroteno), como un medio para aliviar las carencias de vitamina A (retinol) en la alimentación de las personas pobres y desfavorecidas de los países en desarrollo. Como las variedades tradicionales de arroz no producen provitamina A, fue necesario recurrir a tecnologías transgénicas. Se insertaron en el genoma del arroz dos genes provenientes del narciso y uno de la bacteria Erwinia uredovora. Estos tres genes producen las enzimas necesarias para convertir el GGDP en provitamina A. Los genes insertados son controlados por promotores específicos, de tal modo que las enzimas y la provitamina A solo son producidas en el endosperma del arroz. Cuando se ingiere arroz dorado, el organismo humano divide la provitamina A para fabricar vitamina A.

También se pueden citar riesgos ya que al alterar los organismos, se sientan las bases para alterar las relaciones de los mismos con su entorno, con lo que algunas consecuencias pueden ser impredecibles: •

•

La producción de café descafeinado. Sin embargo, resulta que la cafeína protege el café del ataque de los hongos, en particular del Aspargillus, productores de la terrible aflatoxina. Es frecuente el cultivo de peces de crecimiento rápido, y de mayor tamaño, en grandes jaulas flotantes situadas en el mar. Si a causa de una tormenta la jaula se rompe y

•

se liberan los peces y estos se mezclan con otras especies más feraces, el resultado es incierto. Uno de los casos más conocidos es el del maíz transgénico productor de la toxina Bt, insecticida para proteger los cultivos de la plaga del barrenador. El polen de este maíz, que contiene la citada toxina, dispersado por el viento se deposita en la planta lechetrenza, que constituye el único alimento para la larva de la mariposa Monarca. La mitad de las orugas que comen las hojas de la citada planta mueren.

Uso de transgénicos para absorber CO2

En las jornadas de la Cumbre del Clima, celebradas en Milán en diciembre de 2003, se vieron los primeros resultados de los trabajos realizados por las comisiones técnicas, que no han gustado nada a ciertas organizaciones ecologistas. Y es que la polémica de los organismos genéticamente modificados, o transgénicos, entra de lleno en el debate sobre el modo de aplicar las actividades recogidas en el llamado Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) a proyectos de reforestación para absorber dióxido de carbono de la atmósfera. El MDL, que se estableció en el Protocolo de Kyoto, permite a los países con objetivos de reducción que financien medidas de protección del clima en países en vías de desarrollo y descontarse unidades de dióxido de carbono de su cuenta de emisiones. Dentro de este apartado entran los llamados “sumideros” de carbono; esto es, utilizar los bosques y otros cultivos para absorber CO2. La novedad es que “no se excluye la posibilidad” de que árboles y cultivos genéticamente modificados “puedan ser utilizados en el futuro” dentro de este mecanismo en los protocolos de biodiversidad y de bioseguridad. Además, para que el país que transfiere estos proyectos obtenga estos “créditos de reforestación”, que le permitirán descontarse las emisiones contaminantes que se ahorra el país que la recibe, este último tiene que estar de acuerdo, y además en la cuenta de emisiones del país que se anota, el descuento debe especificarse que se ha obtenido a través de OGM. En síntesis, pese a que sobre este tema se pueden encontrar dos posiciones totalmente opuestas,


hay quien argumenta que es la mejor solución para paliar la hambruna mundial y quien dice que traerán más problemas de los que solucionarán. La comunidad científica apuesta claramente por su desarrollo y no tienen constancia de un transgénico perjudicial. En definitiva, se trata de una ciencia que se halla en sus inicios y que con el tiempo logrará superar los inconvenientes y repercutirá positivamente en la humanidad. Desde 2006, los ministerios españoles de Agricultura y Medio Ambiente perfilan un programa para legitimar una normativa que permita la presencia de transgénicos en la agricultura convencional, la ecológica y la generación de plantas de rápido crecimiento. Más recientemente, en 2007, tal como sucede con la industria petrolera, la creciente demanda europea por biocombustibles significará que muchos países sudamericanos se conviertan en la fuente de abastecimiento para esta nueva industria. De hecho, en este año, el principal proveedor de bioetanol en el Reino Unido es Brasil. Ya el presidente Lula de Brasil ha declarado que la soja transgénica se usará para biocombustibles, y la soja natural para el consumo humano. Argentina también adelanta planes para transformar su soja transgénica en biodiesel. De acuerdo con todo ello, el Consejo Británico para la Protección de Cultivos (BCPC) ha declarado que el uso de cultivos transgénicos para la industria de biocombustibles será inevitable.

NUEVOS ORGANISMOS PARA LA FABRICACIÓN DE BIOCARBURANTES El padre del genoma humano, Craig Venter, ha sintetizado, en enero de 2008, el ADN completo de una bacteria. El hallazgo puede servir para crear bacterias que limpian el medio ambiente. En manos equivocadas, también podría servir para fabricar armas biológicas. Venter y su equipo no han logrado (al menos no aún) crear un organismo con vida de forma artificial. Pero sí han dado el primer paso para conseguirlo en el futuro. La especie elegida para esta filigrana científica es la bacteria Mycoplasma genitalium, el ser vivo con el genoma más pequeño de cuantos son capaces de reproducirse de forma independiente. La metodología seguida por los autores del trabajo, publicada en la revista Science, supone un alarde de tecnología.

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En primer lugar, los científicos dividieron la secuencia completa, compuesta por 582.970 pares de bases o unidades básicas de ADN, en 101 pequeños trozos sin que ninguno de los cortes afectase a ningún gen. Así cada uno de ellos podía contener uno, dos o varios genes, pero se aseguraba la posibilidad de moverlos en futuras manipulaciones sin que ello afecte a ninguna función del organismo. Fue necesario fabricar químicamente cada una de las 101 secuencias, unidad a unidad. Tras ello, el trabajo duro se lo encomendaron a dos bacterias muy usadas en los laboratorios de todo el mundo: Escherichia coli, una bacteria intestinal presente en los animales, y Saccharomyces cerevisiae, una levadura utilizada industrialmente en la fabricación del pan, cerveza y vino. Ambos organismos son capaces de absorber en su propio genoma secuencias foráneas y unirlas en partes cada vez más grandes. De esta manera, con E. coli para los trozos más pequeños y con S. cerevisiae que admite secuencias mucho más grandes, finalmente lograron obtener el primer genoma fabricado por completo en el laboratorio. El trabajo es interesantísimo y novedoso. Hay que tener en cuenta que a cada paso realizaban nuevas secuenciaciones, con la misma técnica que la usada en el genoma humano, solo para comprobar que todo estaba saliendo bien. Uno de los objetivos que persigue el equipo de Venter con esta investigación es conocer cuál es el contenido genético mínimo que necesita un organismo para desarrollar las funciones esenciales para vivir. Por ese motivo han escogido a la bacteria con el genoma más pequeño. Según aseguran en el trabajo, esta técnica supone un primer paso para alcanzar esa meta en el futuro. Solo es necesario ir quitándole genes y probar si sigue siendo funcional. Las implicaciones biotecnológicas de esta técnica son enormes. Los propios autores señalan al diseño de bacterias que permitan limpiar vertidos tóxicos, fabricar biocarburantes o capturar y secuestrar CO2 como algunos de los posibles usos de esta nueva técnica en el futuro. Al mismo tiempo, sin embargo, si cayera en manos equivocadas, la técnica de Venter podría utilizarse para fabricar armas biológicas mortíferas.

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Ciclo del biocarburante Numerosos científicos han demostrado que el ciclo energético del etanol a partir del grano de maíz es negativo, es decir, para producir un litro de etanol es preciso gastar más energía de la que va a producir el litro de etanol. En cuanto a la vía de la celulosa, la tasa de conversión, hoy por hoy, es pobre. Por lo que hace referencia a las materias primas, en el futuro inmediato parece que los caminos más lógicos son: •

•

Aprovechar todo el caudal inmenso de materiales residuales que los ciudadanos generamos diariamente. Desarrollar una biomasa, probablemente un transgénico que minimice la necesidad de agua y optimice la cantidad de aceite, azúcar y celulosa.

En realidad los avances parecen mucho más contundentes en la tecnología de la automoción, es decir, el desarrollo de máquinas mucho más eficientes energéticamente como sería el caso de la pila de combustible o los vehículos híbridos.

DESARROLLO SOSTENIBLE Y BIOCARBURANTES Es muy difícil extraer datos de movilidad de zonas en diversos lugares del mundo que sean homologables. La Tabla 24.9 muestra diversos parámetros sobre la movilidad. En el caso de las ciudades americanas se observa una baja densidad de población, factor que se une a una distancia grande en los desplazamientos, una gran motorización y una oferta de transporte

público reducida. El análisis de las ciudades asiáticas es justamente lo contrario, mientras que las europeas se mantienen en un término intermedio. Es evidente que los parámetros americanos son malos de cara a la sostenibilidad del transporte, pero una baja densidad de población favorece una potencial sustentabilidad energética por lo que hace referencia al confort y los servicios. Sirva esta introducción para diagnosticar que, por ahora, existen tres modelos de transporte en el mundo: el norteamericano, el europeo y el asiático, y son muy dispares entre ellos. España responde, obviamente, al modelo europeo y los problemas de congestión del tráfico condicionarán que el modelo europeo se desplace hacia el asiático, más racional desde el punto de vista de la sostenibilidad. Con todo, el vehículo privado seguirá absorbiendo la mayor carga del transporte y el problema de la sostenibilidad se agudizará a medida que pasen los años. La Sociedad Ecológica de América (ESA en sus siglas en inglés) ha dado a conocer en un documento los principios que se deben asumir para que los biocombustibles sean considerados plenamente sostenibles y contribuyan a reducir la dependencia de los combustibles fósiles y las emisiones de dióxido de carbono. La Sociedad Ecológica de América es una organización profesional que agrupa a cerca de 10.000 científicos comprometidos con el avance y la difusión de la ciencia en el campo de la ecología y con su aplicación a la protección y conservación del medio ambiente. Su última aportación ha sido la publicación del documento La sostenibilidad de

Tabla 24.9. Datos de consumo energético según ciudades y áreas geográficas. ]

EE UU

UE

Asia

Población media

5.735.000

2.330.000

11.100.00

Densidad (habitantes/hectárea)

16,9

49,4

134,7

Desplazamiento medio (km)

12,6

7,1

8,9

Turismos (por 1.000 habitantes)

552

426

305

Vehículo/transporte público por habitante

39,5

51,5

89,4

% transporte público en total viajes motorizados

5,7%

28,3%

49,9%

54.363

15.948

9.533

Energía consumida en MJ/habitante y año


los biocombustibles. En él se afirma que el método actual de producción en Estados Unidos, que es extrapolable al resto del mundo, “degrada los recursos naturales y le impide presentarse como una alternativa viable”. Los tres principios para considerar como sostenibles a los biocombustibles deben ser: •

•

•

El principio de balance positivo entre la energía consumida y la producida. Según la ESA, en Estados Unidos la asunción del sistema imperante en la agricultura intensiva conlleva una serie de impactos (uso masivo de fertilizantes y plaguicidas químicos, alto consumo de agua, erosión del suelo, contaminación de aguas subterráneas, pérdida de biodiversidad) que impiden que salga un balance positivo, por lo que se debe apostar por otro tipo de cultivos. El segundo principio avanza algo en este sentido, ya que plantea pensar tanto en maximizar las cosechas como en conservar los “otros servicios” que proporciona la tierra. Para ello proponen no utilizar fertilizantes en algunas praderas pensando en que se conseguirán bajas producciones a cambio de otros beneficios, como evitar o limitar inundaciones, reducir el riesgo de plagas, mantener el nivel de las aguas subterráneas y asegurar la calidad del agua por la ausencia de pesticidas. Por último, la ESA aboga por una agricultura de escalas, es decir, que la producción se amolde a las particularidades locales, regionales y globales, y no solo a esta última, y se favorezca el desarrollo de biocombustibles procedentes de varias fuentes.

Una reciente investigación realizada, en 2007, por dos profesores del Instituto Smithsoniano de Investigaciones Tropicales, con sede en Panamá, trata de resolver cuestiones relativas a la sostenibilidad. Sus autores, John Scharlemann y William

395

Laurance, han publicado los principales resultados de su investigación en la revista Science. El estudio compara 26 biocombustibles con la gasolina, el gasoil y el gas natural, combustibles fósiles que se verían sustituidos por aquellos. Los criterios para determinar la calidad medioambiental de un biocombustible son dos. Por un lado, la cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero que emite su quema en comparación con los otros combustibles. Por otro lado, el impacto medioambiental causado por el cultivo que sirve para su obtención, incluida la destrucción de la vegetación preexistente, así como el generado por la producción industrial del combustible. Los resultados de la investigación no alientan la sustitución de los combustibles fósiles por estos nuevos productos. Aunque en 21 de los 26 casos las emisiones de gases de efecto invernadero son menores que las del gas natural y los derivados del petróleo, el impacto medioambiental suele ser mayor. Así sucede en doce casos. En algunos biocombustibles, como los obtenidos de la patata y el centeno, el impacto ecológico es cinco veces mayor que el derivado de la extracción y explotación de los combustibles fósiles. Pero lo peor es que precisamente los biocombustibles más usuales, como el biodiesel obtenido de la soja y el etanol del maíz, forman parte de ese grupo de elevado impacto medioambiental. Otros biocombustibles comunes, como el diesel del aceite de palma o, sobre todo, el etanol procedente de la remolacha o de la caña de azúcar, resultan bastante aceptables desde la perspectiva de las emisiones de gases de efecto invernadero; pero siguen teniendo un impacto medioambiental superior a los fósiles. Los biocombustibles más ecológicos, tanto desde una como otra perspectiva, son los obtenidos de los residuos, del reciclaje de otros combustibles, y de la madera, metanol y etanol, así como los combustibles tradicionales, como la madera o el estiércol.

El transporte del futuro

25

EL TRANSPORTE DEL FUTURO CONTINÚA CONSUMIENDO PETRÓLEO. • • • •

• • • • •

La legislación ambiental va a condicionar, en un futuro próximo, los vehículos, tanto por lo que hace referencia al consumo como a los aspectos ambientales. Por lo que hace referencia al transporte por carretera se basará en un mix de biocarburantes que coexistirá durante años con los petrocarburantes. A corto plazo se deberán imponer los coches híbridos y eléctricos, a corto/medio plazo los coches con pila de combustible, o bien los coches híbridos con pila de combustible. En el transporte por coche podrán coexistir diferentes formas de abastecimiento de energía, como la electricidad o el aire comprimido, lo que exigirá la instalación de redes específicas de suministro. Por ello se cree que, en el tejido urbano actual, estas modalidades se desarrollarán en ámbitos especiales y reducidos. La electricidad es, y seguirá siendo, la fuerza motriz básica para el ferrocarril. La aviación, que cada día adquiere más cuota de mercado, debe llevar a cabo una gran labor de I+D+i para reducir los consumos energéticos específicos. La fiscalidad va a jugar un papel determinante en la estructura del transporte. Se potenciará el trasporte público y va a ser una pieza fundamental para la sostenibilidad del sistema. A partir de la información del transporte en España en el 2004 se ha realizado una previsión a 2040. Se ha evaluado el incremento de movilidad en v-km. y t-km. de los distintos modos de transporte: triplicándose el aéreo, duplicándose el marítimo y el transporte de mercancias por carretera, mientras que en automóvil el incremento es de más de un 75%, e inferiores al 50% el de ferrocarril, tanto mercancías como de viajeros y el de tranvía-metro. Se han barajado numerosas hipótesis de mejora en los distintos modos de transporte para reducir el consumo, sobre todo de productos petrolíferos, sin embargo el incremento en el consumo de energía del sector del transporte en 2040 respecto 2005 se sitúa alrededor del 15%, con una disminución de productos petrolíferos de solo un 11% respecto 2004. En la hipótesis de que en 2040 no hubiera ningún coche con el actual motor de combustión, aunque si híbridos, y los camiones utilizaran un 50% de biocombustibles este 11% podría pasar a un 33%. Estos valores sugieren que deberán intensificarse el uso de combustibles alternativos del sector, incluyendo la electricidad de origen renovable, optimizar mucho más los distintos modos de transporte e intermodalidad, utilizando los más eficientes, e incluso en algún caso restringir la movilidad.

Introducción Por lo que hace referencia al transporte, a lo largo de este capítulo se verá que ni las tecnologías actuales, poco eficientes energéticamente y contaminantes, ni los biocarburantes por su horizonte limitado son perspectivas de futuro. El hidrógeno es el que tiene mayores posibilidades, sin embargo, a

corto y medio plazo hay que pasar por combustibles y tecnologías intermedias como los biocombustibles y electricidad de origen renovable. La UE se ha fijado como objetivo que, para 2015, el 2% de los vehículos que circulen por el territorio comunitario lo haga con hidrógeno, que

398


para 2020 lo haga el 5% y que para 2050 el hidrógeno esté totalmente generalizado. A medida que las prestaciones de los automóviles accionados con pilas de combustible mejoren sus prestaciones, el coche sea más ligero y la autonomía mayor, la infraestructura de distribución que se pondrá en marcha se basará en el concepto de “intercambio de botellas de H2 vacías por otras llenas” en los “puntos de hidrógeno”. Actualmente ya se está trabajando intensamente en el coche eléctrico y, sobre todo, en el sistema de almacenamiento de electricidad, ya que hoy en día la autonomía se halla entre 60 y 150 km. Últimamente, como se ha comentado en párrafos anteriores, a principios de 2009, ya son varios los fabricantes, General Motors, Renault-Nissan, Mitsubishi, que están preparando el lanzamiento de automóviles eléctricos con baterías de ión-litio en serie para 2010 a un precio aún elevado. Autonomías de 160 a 200 km, con recarga al 80% en 30 minutos, vida útil de unos 100.000 km, y velocidades y aceleraciones parecidas a los coches convencionales, son algunas de sus características. También se fabricarán los coches superelectricos, como el Chevrolet Volt en

2010, que además del motor eléctrico tendrán un pequeño motor de gasolina que en el caso de viajes largos recarga la batería sobre la marcha y permite alcanzar autonomías de 800 km. Un paso más significativo es la integración de los dos sistemas anteriores. Es decir, a un coche eléctrico adicionarle una fuente adicional de energía en forma de pila de combustible de hidrógeno. Estos automóviles híbridos reducirían el peso en un 25% y tendrían una autonomía de 300 km. A título de conclusión de lo expuesto a lo largo de este capítulo, la previsible evolución del transporte, en especial por lo que hace referencia al transporte por carretera, en el siglo XXI será: • •

•

Progresiva implantación del transporte colectivo. Incremento elevado del precio de la gasolina y gasóleo que harán más populares los biocarburantes. Paulatina implantación de los coches híbridos y eléctricos, y los accionados con pila de combustible.

Recomendaciones del Consejo Europeo sobre el Transporte La estrategia elaborada por el Consejo define los objetivos de la actuación de la Unión Europea (UE) y de los estados miembros para limitar todo lo posible el impacto del transporte en el medio ambiente. Su objetivo es garantizar que se tengan plenamente en cuenta los temas ambientales al elaborar y aplicar la política de transportes. La estrategia subraya los resultados positivos de algunas medidas que ya se aplican a escala comunitaria, si bien insiste en la necesidad de seguir actuando en los ámbitos siguientes: •

•

Prevenir o eliminar los efectos negativos del aumento del tráfico, especialmente con medidas de ordenación territorial y de tarificación de las infraestructuras. Fomentar el transporte público, el transporte intermodal y el transporte combinado, así como los modos de transporte menos perjudiciales para el medio ambiente (especialmente el transporte ferroviario y fluvial).

•

•

Proseguir la investigación y el desarrollo tecnológico, especialmente para reducir las emisiones de CO2 y el ruido. Concienciar al público, a los conductores y a la industria del automóvil sobre la forma de reducir las incidencias del transporte en el medio ambiente, por ejemplo, por medio de indicadores, y con la normalización de los vehículos.

La estrategia invita a los estados miembros a desarrollar esta acción a escala nacional y en los foros internacionales. Se invita a la Comisión a recopilar y difundir información (sobre todo indicadores) en estos ámbitos, a presentar propuestas sobre tarificación y normas de emisión y a proponer incentivos de diversa índole al sector de los transportes. Antes y después de la elaboración de esta estrategia se han adoptado varias medidas en los distintos sectores: transporte por carretera, ferroviario, marítimo y aéreo.


TARIFICACIÓN DE LAS INFRAESTRUCTURAS Es posible cargar a los usuarios algunos costes ambientales derivados de su uso del transporte, especialmente si utilizan infraestructuras de transporte (consecuencia del principio de que “quien contamina, paga”). Dos directivas sectoriales permiten tener en cuenta los costes ambientales externos en la tarificación de las infraestructuras. Ahora bien, no existe ningún marco legislativo común para todos los modos de transporte que proponga una metodología y un calendario de introducción comunes para evitar falseamientos de la competencia. En el transporte de mercancías, la Directiva 1999/62/CE establece un marco común para la tarificación por el uso de las infraestructuras viales (autopistas o carreteras de características equivalentes). La directiva no prevé que se sume a los costes de infraestructura la tarificación de los costes medioambientales. No obstante, prevé la posibilidad de modular los costes para tener en cuenta el nivel de contaminación de los camiones y la hora del día en que circulan. La propuesta de revisión de esa directiva se adoptará en breve y dará libertad a los estados miembros para aplicar peajes y derechos de uso en todas las demás carreteras. Las modificaciones principales son las siguientes: •

•

•

•

Aplicación de la directiva a los vehículos de más de 3,5 toneladas a partir de 2012 (de momento solo se aplica a los vehículos de más de 12 toneladas). Mayores posibilidades de establecer diferencias entre los peajes teniendo en cuenta criterios medioambientales (para fomentar el uso de vehículos más limpios) y el momento del día (para desanimar a circular en horas punta y evitar así los atascos). Variación de los peajes teniendo en cuenta la clase de emisiones contaminantes de los vehículos (obligatoria después de 2010, con posibles excepciones). Posibilidad de instaurar un peaje adicional en determinados corredores transeuropeos de montaña para permitir una financiación cruzada de infraestructuras de transporte alternativo.

399

En el transporte ferroviario, la Directiva 2001/14/CE permite establecer una diferenciación entre los cánones, sobre una base de neutralidad de los ingresos, pero no obliga a una tarificación de los costes ambientales adicional a los costes de infraestructura, y no se imputan a los operadores ferroviarios. Pocos gestores de infraestructura practican esa diferenciación. En el programa de trabajo de la Comisión, establecido en 2006, figuran propuestas sobre la tarificación de las infraestructuras portuarias y aeroportuarias, así como una comunicación marco.

TRANSPORTE POR CARRETERA La adopción, a partir de 1970, de varias directivas sobre las emisiones de los vehículos de motor, ya sean vehículos ligeros (automóviles, vehículos industriales ligeros) o pesados (camiones, autobuses), ha provocado una reducción progresiva de las emisiones de gases y de partículas, así como, en cierta medida, del ruido de esos vehículos. Las reducciones de las emisiones atmosféricas, fijadas por las normas Euro I a V, se refieren a cuatro contaminantes principales: monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), partículas e hidrocarburos. En lo que se refiere al CO2, el objetivo comunitario es alcanzar la emisión de los vehículos nuevos a 120 g CO2/km en 2012. El planteamiento europeo al respecto se basa en tres pilares: •

Los compromisos voluntarios de la industria del automóvil por los que los constructores europeos (ACEA), japoneses (JAMA) y coreanos (KAMA) se han comprometido a reducir las emisiones medias de los vehículos nuevos en un 25% entre 1995 y 20082009 (de 186 g CO2/km en 1995 a 140 g CO2/km en 2008-2009). La aplicación de estos compromisos da lugar a informes anuales de la Comisión (EN). • La mejora de la información a los consumidores sobre el consumo de combustible y las emisiones de CO2. • La adopción de medidas fiscales (EN) para fomentar la adquisición de vehículos menos contaminantes. Por otra parte, han mejorado de forma considerable las normas sobre calidad de los combustibles

400


para el transporte, especialmente en lo que se refiere a su contenido de azufre. Además, la UE ha fijado un porcentaje indicativo de biocarburantes que han de sustituir, en cada estado miembro, al diesel o a la gasolina que se utilizan para el transporte (2% en 2005 y 5,75% en 2010). La Directiva 1999/30/CE establece valores límite para las concentraciones de NOx, SO2, partículas y plomo, y umbrales de alerta para las concentraciones de SO2 y NOx en el ambiente. Los estados miembros deben garantizar que se ponga a disposición del público información actualizada sobre la concentración de esas sustancias. Los valores límite de NOx debían alcanzarse en 2001, las de SO2 y las PM10 en 2005 y las de NO2 y plomo deberán alcanzarse en 2010.

TRANSPORTE FERROVIARIO Las emisiones contaminantes del transporte ferroviario se rigen por la directiva sobre las unidades móviles no viales. En el contexto de la Directiva 96/48/CE sobre la interoperabilidad del sistema ferroviario transeuropeo de alta velocidad, la especificación técnica de interoperabilidad (ETI) relativa al material rodante de alta velocidad establece límites para las emisiones sonoras. La Directiva 2001/16/CE, tras su modificación de 2004, aplica las mismas disposiciones al sistema ferroviario transeuropeo convencional que al de alta velocidad.

TRANSPORTE MARÍTIMO Y FLUVIAL La UE ha adoptado una estrategia para la reducción de las emisiones atmosféricas de los buques de navegación marítima. Asimismo, se ha dotado de un arsenal de medidas en materia de seguridad marítima para evitar nuevas catástrofes ecológicas como las del Erika o el Prestige. Esas medidas se refieren, en particular, a la prevención de la contaminación causada por los buques, a los mecanismos de cooperación en caso de contaminación marina y a la posibilidad de sanciones penales contra los responsables de contaminación marina.

TRANSPORTE AÉREO En una comunicación sobre transporte aéreo y medio ambiente, la Comisión europea definió los pilares de una estrategia que integre las preocu-

paciones ambientales en la política del transporte aéreo: mejorar las normas ambientales técnicas en materia de ruido y emisiones atmosféricas; reforzar los incentivos económicos; ayudar a los aeropuertos en sus esfuerzos ambientales; fomentar la investigación y desarrollo a largo plazo. En lo que se refiere al ruido, la UE ha adoptado normas sobre la gestión del ruido en los aeropuertos comunitarios, que se basan esencialmente en las decisiones adoptadas en la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI). Dichas normas se refieren, entre otras cosas, a la prohibición del acceso a los aeropuertos europeos para los aviones más ruidosos y a requisitos de construcción de las aeronaves. En su comunicación sobre aviación y cambio climático, la Comisión analiza las opciones que permiten reducir el impacto del sector de la aviación en el cambio climático. Propone, en particular, además de mantener las posibilidades abiertas en materia de investigación, de gestión del tránsito aéreo y de imposición de la energía, integrar el sector del transporte aéreo en el sistema comunitario de comercio de derechos de emisión de gases de efecto invernadero.

TRANSPORTE Y RUIDO En el contexto de la Directiva 2002/49/CE, los estados miembros deben cartografiar los niveles de ruido ambiente en las grandes infraestructuras de transporte y en el transporte urbano de las grandes aglomeraciones. Asimismo, deben establecer planes de gestión del ruido ambiente para reducir las exposiciones perjudiciales para la salud y proteger las zonas tranquilas. La legislación comunitaria no define valores límite de ruido ambiente y deja a los estados y a las autoridades competentes la elección de los modos de protección contra el ruido.

CONCLUSIONES DE CARÁCTER LEGISLATIVO El aumento del volumen de transporte y de su utilización constituyen una amenaza para el medio ambiente y la salud de los europeos. La Agencia Europea de Medio Ambiente mide, analiza y restituye periódicamente en el marco del TERM (Transport & Environment Reporting Mechanism) los impactos del transporte en el medio ambien-

401


te. La agencia subraya el riesgo de que la UE no cumpla los compromisos que contrajo en virtud del Protocolo de Kyoto para la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. La estrategia temática sobre la contaminación atmosférica establece objetivos de reducción de determinados contaminantes y refuerza el marco legislativo de lucha contra la contaminación atmosférica en función de dos ejes principales: la mejora de la legislación comunitaria en materia de medio ambiente y la integración de las preocupaciones sobre la calidad del aire en las políticas conexas. Tal como prevé la estrategia, la Comisión ha propuesto una nueva norma EuroV para reducir las emisiones contaminantes de los vehículos de motor ligeros y, en particular, para reducir en un 80% las emisiones de los vehículos de motor

diesel. La estrategia contempla asimismo varias acciones destinadas a reducir las emisiones de SO2 y NOx procedentes de los buques. La propuesta de directiva sobre la eficiencia en el uso final de la energía y los servicios energéticos subraya el papel importante que desempeñan los carburantes y el sector del transporte en materia de eficiencia energética y ahorro de energía. La estrategia temática sobre el medio ambiente urbano subraya la necesidad de elaborar planes de desplazamientos urbanos sostenibles, tanto de personas como de mercancías, que integren los requisitos ambientales y se articulen con las políticas de gestión de la ocupación del suelo. Anuncia que la Comisión divulgará una guía práctica para las autoridades urbanas que les permita establecer estos planes y difundir las buenas prácticas.

La etiqueta ecológica en el transporte Existen soportes informáticos en los puntos de venta y en Internet (www.idae.es) que indican el

consumo de carburante, la clase energética del vehículo y las emisiones.

El transporte en España de 2040. Consumo de energía A partir de todo lo comentado en esta Parte III, se pretende realizar una previsión del Transporte en España de 2040 atendiendo a la necesidad de un cambio de modelo. Este inevitablemente debe basarse en un giro hacia la disminución del consumo de los productos petrolíferos y la utilización de energías renovables. Para realizar una previsión del consumo de energía en 2040 se han seguido los siguientes pasos: • Se evalúa el consumo de energía por cada modo de transporte en España 2004, diferenciando viajeros y mercancías. Se toma como punto de partida la información del año 2004, Tabla 25.1. El reparto de los consumos según modos se indica en la Tabla 25.2, y según modos y tipo de combustible en la Tabla 25.3. • La información del reparto modal y de los incrementos de los distintos modos de transporte en EU entre 1995-2004 y la previsión 2001-2020, según el Libro Blanco se indican en la Tabla 25.4. A partir de esta se realiza

su extrapolación al periodo 2005-2020, Tabla 25.5, que sirve para tener una referencia y ponderar los incrementos en España en el periodo 2005-2020. • Con la anterior información y la de España, entre 2000-2008, se realiza una propuesta de los incrementos de movilidad modal en España en los periodos 2005-2020, 2020-2040 y su promedio en 2005-2040, Tabla 25.6. • Con el consumo de energía de 2004, y los incrementos modales entre 2005-2040, se calcula el consumo de energía teórica que existiría en el 2040 en el sector del transporte, Tabla 25.7, en la que no se ha considerado ninguna mejora en eficiencia y tecnología de los medios de transporte entre 2005-2040. • En los siguientes pasos se realizan hipótesis de las posibles mejoras, y la pertinente disminución de consumo, en los distintos modos de transporte para evaluar los consumos reales previsibles para 2040: — En la Tabla 25.8 se propone una proporción de tipos de automóvil del parque

402


español en 2040, con su consumo según combustible. En la Tabla 25.9 se indica el consumo energético global de todos los automóviles según tipo de automóvil y de combustible. — Se proponen las mejoras que cabe esperar en el ferrocarril, tranvía, aéreo, y transporte de mercancías por carretera y marítimo entre 2005-2040.

2005 y 2040, y la valoración de estas mejoras en este periodo propuestas en el punto anterior, se evalúa el consumo energético por modo de transporte y tipo de combustible en 2040 en la Tabla 25.11. Como resumen de los párrafos precedentes, la Figura 25.1 refleja el hilo argumental seguido para evaluar el consumo de energía del sector del transporte en España de 2040 a partir de 2004.

REPARTO DEL CONSUMO DE ENERGÍA EN EL SECTOR DEL TRANSPORTE EN 2004

Figura 25.1. Principales pasos utilizados para evaluar el consumo energético del sector del transporte en España de 2040 a partir del consumo de 2004.

Finalmente a partir de la Tabla 25.7, consumo energético del transporte en 2040 sin mejoras entre

En este estudio se evalúa no solo el consumo de energía de todo el sector del transporte en 2040, sino que también se determina el tipo de combustible, por lo que es necesario conocer como punto de partida el consumo de cada tipo de combustible y modo de transporte. Se ha tomado como referencia el año 2004 porque se ha localizado mayor información y en muchas conferencias del IDAE se ha tomado como referencia, incluso en 2009. En la Tabla 25.1 se indica el reparto de energía en España 2004 en el sector del transporte por carretera, ferrocarril, barco y avión a partir de la información de las Figuras 18.4 y 18.5 y de Eurostat. La segunda columna indica los v-km y la tercera las t-km según Eurostat, mientras que en la cuarta columna muestra el reparto de la energía según los valores que suministra la Figura 18.5 para este año. En la columna quinta se redistribuyen los 37,84 Mtep, indicados en la Figura 18.4, que consume todo el sector del transporte en 2004 según los coeficientes de la cuarta columna. El consumo del modo de transporte marítimo es bajo, en gran

Tabla 25.1. Reparto de la energía en el sector del transporte en Mtep y valores de los pasajeros-km y t-km transportados en 2004 (Fuentes: Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, IDAE y Eurostat). REPARTO DE LA ENERGÍA EN EL TRANSPORTE EN ESPAÑA ANO 2004

Carretera

Ferrocarril Aéreo Máritima

Automovil Autobuses Camiones Tranvia-metro Ferrocarril Ferrocarril (mercancias)

Pasajeros miles millones viajero -km 345,1 49,3

Mercancias miles millones t-km

Reparto del comsumo de 37,84 Mtep del transporte según modo en %

en Mtep

80,6%

30,50

2,40%

0,91

13,3% 3,7% 100,00%

5,03 1,40 37,84

199,2 5,8 21,4 12,4 valor despreciable valor despreciable

403


Tabla 25.2. Reparto de la energía en Mtep del transporte de pasajeros y mercancías según el modos de transporte a partir de los datos de la Tabla 25.1, año 2004. REPARTO DE LA ENERGÍA EN EL TRANSPORTE ESPAÑA AÑO 2004

Coeficiente proporcion ferrocarril pasaj.

de pasajeros

viaj-km/viajkm

miles millones

viajero -km

Pasajeros Carretera

Proporción consumo energía respecto ferrocarril

Reparto del comsumo de 37,84 Mtep del transporte según modo

Coeficientes de reparto

de 0,91 Mtep del transporte en el ferrocarril

de 30,5 Mtep del transporte por carretera

394,4

1824,15

en % en 45,7%

Mtep 17,29

Automovil

345,1

5

1

1725,5

43%

16,351

Autobuses

49,3

2

1

98,65

2,47%

0,935

5,8

1,2

1

6,9

21,4

1

1

21,35

-

-

Ferrocarril

28,25

27,1

Tranvia-metro Ferrocarril -

Aéreo Mercancias

t-km

Carretera

199,2

de mercancias

t-km/viaj-km

4

1,75

-

Máritima Ferrocarril

12,4

-

1,36% 1,03%

parte por el bajo consumo especifico que es del orden de una décima parte del transporte por carretera (véase Tabla 19.7 y 19.8), y, por otra, porque el año 2004 fue especialmente bajo, incluso inferior al de 2003.

0,388

13,3%

5,03

1394,4

34,9%

13,213

3,7%

1,40

1,04%

0,395

100,00%

37,84

-

1,75

0,125

-

-

1

0,5136 0,33%

21,7

A partir de la Tabla 25.1 se ha generado la Tabla 25.2, en la que se ha redistribuido los 37,84 Mtep atendiendo al transporte de pasajeros y de mercancías según los distintos modos de transporte. Este reparto es complejo y exige varias hipótesis

Tabla 25.3. Reparto de la energía en Mtep del transporte de pasajeros y mercancías según el modos de transporte y tipo de combustible, año 2004. Reparto de 37,84 Mtep

REPARTO DE LA ENERGÍA EN EL TRANSPORTE ESPAÑA AÑO 2004 Pasajeros

en %

Carretera Automovil Autobuses Ferrocarril

Según modo y tipo de combustible

Según modo

45,7%

17,29

Electricidad

Biocarburantes

Mtep

Mtep

Mtep

Mtep

17,06 16,351

2,47%

0,23 16,12

0,935 0,5136

0,228

0,93 0,1980

Tranvia-metro

0,33%

0,125

Ferrocarril

1,03%

0,388

Aéreo

Gas

en Mtep

43% 1,36%

Petroleo

0,3157 0,1255 0,1980

13,3%

5,03

5,03

Carretera

34,9%

13,213

13,213

Máritima

3,7%

1,40

1,40

1,04%

0,395

0,2012

100%

37,84

37,10

0,1902

Mercancias

Ferrocarril TOTALES

0,1933 0

0,51

0,23

404


que se argumentan en las siguientes líneas. Para el transporte marítimo se ha considerado que el de pasajeros es despreciable frente al de mercancías y, finalmente, para el aéreo se considera lo contrario. Para realizar el reparto en el transporte de pasajeros en v-km se ha utilizado la siguiente proporción de consumo: el ferrocarril se toma como unidad, el tranvía o metro tendrá un consumo de 1,2 veces la del ferrocarril, de 2 veces el autobús y de 5 un turismo. Estos valores se pueden cotejar con los consumos de las tablas de estos modos de transporte, por ejemplo de la Tabla 19.1. En la misma línea se ha comparado el consumo de mercancías, en que el camión consume cuatro veces más que el ferrocarril al transportar una t-km. Finalmente se ha correlacionado el consumo del transporte de una t-km con la de un v-km, mediante un factor o coeficiente de 1,75, que puede evaluarse al considerar un consumo medio de un camión y un autobús con sus respectivos transporte de mercancías y pasajeros. La Tabla 25.2 se complementa con la Tabla 25.3 que aporta el reparto del consumo de energía según el tipo de combustible. En el 2004 el ferrocarril consumía un 51% de electricidad y el resto en productos petrolíferos, en carretera solo se consumían 228 ktep de biocarburantes, mayorita-

riamente en automóviles, y el resto corresponde a productos petrolíferos, que en total representaban el 98,8%. En 2004 ya existían autobuses que funcionaban con gas, pero su valor era testimonial y no llegan a reflejarse en esta tabla.

INCREMENTOS DE LOS DISTINTOS MODOS DE TRANSPORTE EN LA EU-27 EN EL PERIODO 2000-2020 La Tabla 25.4 muestra la importancia relativa, en tanto por ciento, de cada modo de transporte en los años 2000, 2010 y 2020 en EU, y su crecimiento en los periodos 1995-2004 y 2001-2020, y cuya ultima columna corresponde a información contenida en la Tabla 18.1. La Tabla 25.4 es una síntesis de la información del Libro Blanco de la Comisión Europea y será una referencia para la previsión que se realiza en esta obra sobre la evolución de los distintos modos de transporte en España. De la misma destaca la gran importancia del transporte por carretera, tanto en pasajeros como en mercancías. Ambos con valores bastante estables en el tiempo. También, la gran importancia del automóvil y la disminución progresiva del autobús-autocar. La poca importancia del ferrocarril, tanto en pasajeros

Tabla 25.4. Evolución en % del reparto modal del transporte en la EU y su crecimiento entre 1995 y 2020. (Fuente: Libro Blanco de la Comisión Europea). EVOLUCIÓN REPARTO MODAL TRANSPORTE EU

2000

Previsión 2010

CRECIMIENTO MODAL

Previsión 2020

85% Automovil Autobus-autocar

Ferroviaro

Previsión 2001 a 2020

35%

Pasajeros Carretera

1995 a 2004

84%

83%

24%

35%

76%

76%

77%

19%

36%

9%

8%

6%

5%

0%

7%

7%

6%

9%

19%

Tranvia-metro

1%

1%

1%

14%

19%

Ferrocarril

6%

6%

5%

8%

19%

Aéreo

8%

Maritimo (int.UE)

<

9%

11%

46%

45%

108% 52%

Mercancias Carretera

43%

Máritima

43% maritimo int.

42% 39%

vias navegables 11%

Aéreo

0,10%

Conductos

3%

44% 39%

4%

Ferrocarril

35% 29% 41%

3% 8%

3%

3%

59% 31%

3%

9%

55%

9% 6%

13% 45%

405


Tabla 25.5. Incrementos previstos por la Comisión Europea en la Revisión de 2006 del Libro Blanco, extrapolando al periodo 2005-2020. INCREMENTOS EN LOS DISTINTOS MODOS DE TRANSPORTE Y EN LA POBLACIÓN

INCREMENTOS PREVISTOS EN LA EU-27 Periodo 2001- 2020 Total 2001 a 2020

Total por año

Población EU-27

6,21%

0,300%

Pasajeros (viajero-km) Automovil Autobuses tranvia metro Ferrocarril Aéreo

35% 36% 0% 19% 19% 108%

1,510% 1,550% 0,000% 0,870% 0,870% 3,730%

1,206% 1,246% -0,299% 0,568% 0,568% 3,420%

27,1% 27,9% 0,0% 14,9% 14,9% 79,7%

Mercancias (t-km) Carretera Marítima Ferrocarril

52% 55% 59% 13%

2,120% 2,220% 2,350% 0,610%

1,815% 1,914% 2,044% 0,309%

39,9% 42,1% 45,0% 10,2%

Conductos

45%

1,870%

1,565%

34,5%

como en mercancías y también en su evolución. Hay que resaltar la importancia del transporte de mercancías por medios marítimos. Si se compara cualquiera de las columnas de la evolución modal de la UE, Tabla 25.4, con la columna de los v-km de la Tabla 25.2, sobre España (en la que no se ha indicado los pasajeros del sector aéreo) se pueden hacer las siguientes estimaciones cualitativas: el tanto por ciento del transporte en automóvil en España esta en un nivel un poco superior al de la media de la EU, mientras que es algo inferior en autobús y ferrocarril-tranvía-metro. En la Tabla 25.5 se han indicado en su segunda columna los incrementos que proponía la Comisión Europea en la Revisión de 2006 del Libro Blanco para los distintos modos de transporte diferenciando entre al transporte de pasajeros y mercancías y que se resumían en la Tabla 18.1. También se ha adjuntado en la segunda fila el incremento de población previsto por Eurostat en este mismo periodo, ya que es un valor significativamente distinto del de España. A partir de esta información y la de la Tabla 25.4 se ha calculado el incremento anual por modo de transporte en el periodo 20012020 y el incremento neto por habitante y año por cada modo. Este último índice indica el incremento estricto por cada habitante, y por tanto da el incremento de bienestar por habitante. En la última columna de la Tabla 25.5 se muestra el incremento por cada modo, en el periodo 2005-2020 calculado a partir de las columnas anteriores. Estos valores sirven de referencia orientativa para calcular los

Neto por hab. y año

Total 2005 a 2020 4,65%

incrementos en este mismo periodo para España y que están reflejados en la Tabla 25.6.

INCREMENTOS DE LOS DISTINTOS MODOS DE TRANSPORTE EN ESPAÑA EN EL PERIODO 2005 A 2040 En la Tabla 25.6 se ha indicado y tenido en cuenta el importante crecimiento de la población de España, que triplica la media de la EU-27 en el periodo 2005-2020, aspecto que ya se había comentado en el Capitulo 11. Esto da lugar a que en este periodo se consideren crecimientos absolutos mayores o muy próximos en casi todos los modos de transporte de la media de la EU-27, excepto en el caso de los pasajeros por ferrocarril algo inferiores y muy ajustados en el transporte aéreo. Sin embargo estos incrementos, muy importantes a nivel de país, resultan que en valor neto por habitante y año son valores mucho más moderados que los de la media de EU-27, llegando a valores incluso negativos en el ferrocarril (tanto para mercancías como para pasajeros) y en autobús. No se han tenido en cuenta el transporte por conductos, que evidentemente crecerá, sin embargo su cuantía es poco importante. Para generar esta tabla también se ha tenido en cuenta las tendencias de los incrementos de los distintos modos de transporte en España respecto a los incrementos de la EU en los distintos años entre 2000 y 2008: •

El incremento de v-km es menor en España en casi todos los modos, en el caso de

406


Tabla 25.6. Propuesta de incrementos en los distintos modos de transporte, atendiendo pasajeros y mercancías para los periodos 2005-2020 y 2021-2040, y su promedio en el periodo 2005 a 2040. PROPUESTA DE INCREMENTOS EN ESPAÑA INCREMENTOS EN LOS DISTINTOS MODOS DE TRANSPORTE Y POBLACIÓN

Periodo 2005-2020 Total 2005 a 2020


Total por año

14,5%

0,911%

30,1%

1,769%

0,85%

Autobuses

0,0%

0,003%

tranvia metro

16,3%

1,012%

Periodo 2021-2040 Total 2001 a 2040


Total por año

7,97%

0,384%

35,7%

1,538%

1,15%

-0,90%

3,7%

0,183%

-0,20%

0,10%

21,7%

0,986%

0,60%

Promedio periodo 2005-2040 Total 2005 a 2040

Total por año


23,6%

0,608%

76,5%

1,64%

1,02%

3,8%

0,11%

-0,50%

41,5%

1,00%

0,39%

Población España Pasajeros (v-km) Automóvil

Ferrocarril

11,2%

0,709%

-0,20%

16,9%

0,786%

0,40%

30,0%

0,75%

0,14%

Aéreo

79,8%

3,989%

3,05%

66,8%

2,592%

2,20%

200,0%

3,19%

2,57%

Carretera

43,2%

2,425%

1,50%

41,2%

1,739%

1,35%

102,2%

2,03%

1,42%

Marítima

45,4%

2,526%

1,60%

42,6%

1,789%

1,40%

107,3%

2,11%

1,49%

Ferrocarril

12,0%

0,760%

-0,15%

16,9%

0,786%

0,40%

31,0%

0,77%

0,17%

Mercancias (t-km)

•

viajeros por ferrocarril incluso no tiene crecimiento, mientras que en el aéreo, la excepción, es mayor que en la EU. Respecto al transporte de mercancías, por carretera y marítimo, el crecimiento en España es significativamente mayor que la media de EU, mientras que por ferrocarril es parecido, aunque poco importante en valor absoluto.

Sin embargo en el transporte aéreo y el de mercancías por carretera se han ajustado los crecimientos por que son los de mayor cuantía y no podrán crecer a este ritmo indefinidamente, y también por que son los de mayor consumo energético, uno en pasajeros y el otro en mercancías, y por sostenibilidad deberán derivar a otros modos. En el periodo 2021-2040 se han previsto crecimientos anuales menores que en el periodo 2005-2020, en parte por que habrá un significativo menor crecimiento de población, lo que a su vez conllevará a que el crecimiento neto por habitante y año de los distintos modos de transporte sean superiores al periodo anterior. También se ha considerado la necesidad de equilibrar los modos de transporte respecto al periodo 2005-2020 y disminuir el aéreo: •

El transporte de pasajeros por carretera y avión no crecerá, relativamente, tanto como

•

•

en el anterior periodo, incluso el aéreo puede que se llegue a un control con limitaciones o precios poco competitivos por el aumento de precio de los combustibles y tasas ambientales. El transporte público, autobuses, ferrocarril y tranvía, tendrá que crecer más en aras a una sostenibilidad. También se prevé que el transporte de mercancías no crezca tanto como en el periodo 2005-2020.

CONSUMO DE ENERGÍA TEÓRICA EN 2040 DEL TRANSPORTE EN ESPAÑA A partir de los valores de v-km y t-km de la Tabla 25.2, los distintos modos de transporte en 2004, y los incrementos de los mismos entre 2005-2040 de la Tabla 25.6, se obtienen los valores de la segunda columna de la Tabla 25.7. A partir de esta se calculan los consumos de energía para 2040, cuarta columna, suponiendo los mismos consumos específicos por v-km y t-km y modo que en 2004, y que se utilizaron en la Tabla 25.2. Por tanto la Tabla 25.7 sólo constituye el escenario base o de referencia de 2040 con consumos específicos del 2004 a la que habrá que aplicar todas las mejoras en eficiencia y cambios tecnológicos entre 2005 y 2040, para obtener los consumos finales reales de

407


Tabla 25.7. Datos del transporte en España previstos para 2040 en viajero-km y t-km previstos, y reparto de la energía en Mtep según el modo de transporte y tipo de combustible en el supuesto de que el consumo y eficiencias por viajero-km y t-km por cada modo de transporte fueran los mismos que en 2004. REPARTO DE LA ENERGÍA EN EL TRANSPORTE ESPAÑA AÑO 2040

Reparto de 75,75 Mtep (energía teórica con consumos y eficiencias de 2004) Incremento 2005-2040

Pasajeros

miles millones v-km

Carretera

660,4

Según modo

% 39,38%


Mtep 29,83

Petroleo

Gas

Electricidad

Mtep

Mtep

Mtep

29,43

76,5%

609,2

38%

28,86

28,46

Autobuses

3,8%

51,2

1,28%

0,97

0,97

Ferrocarril

35,9

0,90%

41,5%

8,1

Ferrocarril

30,0%

27,8

Aéreo

200,0%

Mercancias

0,68

0,23%

0,2574

0,4248

0,505

0,1775 0,2574

15,10

15,10 26,721

0,2473

t-km

Carretera

102,2%

402,8

35,27%

26,72

Máritima

107,3%

3,83%

2,90

2,90

Ferrocarril

31,0%

16,2

0,68%

0,52

0,2636

100%

75,75

74,67

TOTALES

0,402

0,178

0,67% 19,93%

Mtep 0,40

Automovil

Tranvia-metro

Biocarburantes

la previsión de 2040 que se indicará más adelante en la Tabla 25.11. Como se ha comentado a lo largo de todo esta Parte III existen muchos planes de reducción del consumo de combustibles, de cambios por combustibles alternativos, cambios tecnológicos y otros cambios que buscan únicamente la reducción del CO2 u otros contaminantes. En los siguientes párrafos se comentan las mejoras y se ponderan para evaluar el consumo final en 2040. Por ultimo indicar que las cuatro últimas columnas de la Tabla 25.7 reparten el consumo energético de la cuarta columna según el tipo de combustible. Al comparar la Tabla 25.7 con la 25.3, se obtiene una magnitud relativa del crecimiento global del transporte en poco más del doble, en términos energéticos, al pasar de los 37,4 Mtep de 2004 a los teóricos 75,75 Mtep en 2040. Evidentemente esta magnitud no es la típica comparación en v-km y t-km. Sin embargo esta magnitud no difiere mucho del crecimiento de las t-km por carretera y por mar, con un crecimiento ligeramente por encima del doble entre 2004 y 2040, según indica la segunda columna de la Tabla 25.7. Algo parecido sucede con los v-km, cuando se computa el crecimiento del automóvil con el crecimiento del transporte aéreo. Estos incrementos en 35 años no son tan elevados, lógicamente, como los que tuvieron lugar entre 1970 al 2000 en la EU.

0,2532 0

0,68

0,40

MEJORAS Y DISMINUCIÓN DE CONSUMOS ENERGÉTICOS EN LOS DISTINTOS MODOS DE TRANSPORTE EN EL PERIODO 20052040 Automóvil

Si atendemos al incremento de v-km evaluado entre 2005 y 2040 y se considerara que cada automóvil recorriera el mismo numero de km por año que en 2005, el parque de automóviles debería pasar de los 20,250 millones de 2005 a unos 35,748 millones en 2040. Esto representaría un índice de 655 automóviles por cada 1.000 habitantes. Sin embargo es presumible que cada habitante y coche realicen algunos km más por año, aproximadamente un 10% más de kilómetros que actualmente y se llegue a una situación de unos 600 automóviles por 1.000 habitantes lo que representará un parque de unos 32,8 millones de automóviles (en los últimos años el parque ha aumentado mucho, pero los coches recorren aproximadamente los mismos km/año). Aunque estas son cifras interesantes no son trascendentes a efectos del cálculo que se realiza para determinar la energía consumida. En cambio, sí es importante la proporción del tipo de vehículos que componen el parque de turismos, que en gran parte será función de la fis-

408


calidad que se imponga por su compra y por la energía que consuman. En 2040 presumimos que aún habrá coches que funcionen con motor de combustión interna, posiblemente los más viejos, estimamos que estos alcancen el 15% del parque. Esta y las siguientes cifras corresponden al parque que circule en 2040, que aún arrastrará vehículos fabricados 15 o incluso más años con de las tecnologías más “antiguas”. El motor de combustión interna se ha considerado que utilizará una mezcla de hidrocarburos en que por lo menos contenga un 17% de biocarburante, posiblemente más. Esta cifra debe considerarse factible y conservadora, pues en España en 2010, deberá alcanzar el 5,83% y el 10% en 2020 y, por ejemplo, se prevé el 20% en EE UU en 2030; sin embargo, aunque para los motores es posible el 100% de biocombustible, para obtenerlos se ocupa una importante superficie de cultivo, lo que limita su porcentaje en la mezcla. Una salida prometedora puede ser mediante el cultivo de microalgas, aunque hay que ver como evoluciona su desarrollo tecnológico. Creemos que se habrá generalizado el automóvil hibrido no enchufable por su mayor economía en carretera (recuperación de energía en la frenada, régimen optimizado del motor, sistemas stopstart…), emulando a lo que ha ocurrido con el diesel: algo más caro en la inversión inicial pero que se compensa con su utilización. Posiblemente lo mismo ocurrirá con el hibrido enchufable, aunque con cierto decalaje de unos 5 o más años. Luego, la compra de uno u otro tipo de hibrido obedecerá al criterio y usos a que se destine el vehiculo y a la fiscalidad. Creemos que habrá una gran variedad de

híbridos con distintas autonomías, algo parecido a las actuales cilindradas. A efectos de consumos se ha considerado que un hibrido, enchufable o no, consume cuando funciona con su motor de combustión interna un 15% menos que un automóvil con motor de combustión interna convencional. Además el enchufable; se supone que recorrerá un 30% de los km con motor de combustión interna y el 70% con el eléctrico, ya que por esta razón es enchufable, con esta proporción consume un 58,62% de hidrocarburos (un 48,66% de petróleo y un 9,97% de biocombustibles, este con el 17% en la mezcla del combustible) y un 41,38% de electricidad. Presumiblemente en el mix del parque de 2040 habrá una menor cantidad de coches eléctricos que híbridos enchufables, se ha propuesto un 20% y un 35% respectivamente, auque su venta en estas fechas se igualará o incluso el eléctrico superara al hibrido enchufable por su mejora en la autonomía y coste global. Posiblemente el coche con pila de combustible empezará a tener un sitio en el mercado, se propone el 5% restante, utilizando básicamente un bioalcohol como base del combustible para producir hidrogeno, aunque en plan conservador se ha supuesto que aún un 20% del combustible podría derivarse de productos petrolíferos. Todas estas hipótesis quedan reflejadas en la Tabla 25.8. De una forma general se ha considerado que todos los automóviles en 2040 consumirán un 10 % menos con respecto a los consumos previstos en 2004 por aspectos generales como: disminución generalizada de la potencia, mejora de la aerodinámica, disminución del peso del vehícu-

Tabla 25.8. Hipótesis del parque de automóviles en 2040 y características de su consumo y proporción del tipo de combustible empleado. Proporción del parque en 2040

consumo específico (según 2004)

mejoras 20042040 por tipo

consumo específico (en 2040)

consumo especifico ponderado

%

kWh/km

%

kWh/km

kWh/km

Petróleo

Combustión interna

15%

0,7

22%

0,546

0,082

83,00%

17,00%

Híbrido no enchufable

25%

0,595

22%

0,464

0,116

83,00%

17,00%

Híbrido enchufable

35%

0,3045

21,2%

0,240

0,084

48,66%

Eléctrico

20%

0,18

20%

0,144

0,029

Pila de combustible

5%

0,4

18%

0,328

HIPOTESIS AUTOMOVIL 2040 Tipos de coches

Consumo medio ponderado del coche en 2040 en kWh/km Consumo medio en % del coche en 2040 respecto 0,7 kWh/km de 2004

0,016 0,327 46,73%

Proporción del tipo de combustible empleado según cada tipo de coche (proporción en % de unidades energeticas) Gas

Electricidad

41,38%

Biocarburantes

9,97%

100,00% 20,00%

80,00%

409


lo por nuevos materiales y posiblemente por una disminución de su tamaño, neumáticos, sistemas automáticos de control de conducción económica, y también mejora de los trazados y pavimentos de las carreteras, etc. Además en el caso de los motores con motor de combustión, que afecta a todos los híbridos, las mejoras afectarán a los sistemas de inyección, motores de menor consumo por menor potencia y por aumento específico de su potencia, desconexión de cilindros, apertura de válvulas variable…, aspectos que se han comentado en anteriores apartados, y se supone que darán una mejora de un 12%. Las mejoras en los motores eléctricos y los sistemas de baterías, carga y descarga, se considera que alcancen el 10% respecto a la situación actual, mientras que en los de pila de combustible la mejora será del 8%. Estas mejoras están indicadas en la cuarta y quinta columna de la Tabla 25.8. A partir de la Tabla 25.8 se ha construido la Tabla 25.9, que evalúa el consumo de los diferentes tipos de los combustibles y tipo de automóvil de todo el parque en el año 2040. En la Tabla 25.7 se proponía 28,86 Mteps del consumo de este modo de transporte, en el caso de que todos los automóviles fueran de combustión interna con un consumo medio de 0,7 kWh/km, pero debido a las mejoras y sobre todo a los distintos tipos de vehículos el consumo es de solo un 46,73% de aquel, que equivale a los 0,327 kWh/ km, y a un total de 13,5 Mtep/año para todo el parque de turismos. Esta cifra energética tiene una doble importancia:

•

•

Por un lado es inferior, 13,5 Mtep de 2040 frente a los 16,35 Mtep de consumo de todos los automóviles en 2004, sorprendente, cuando el sector aumenta en un 76,5% en v-km, o lo que es lo mismo aumentamos el parque de turismos en un 61,6% y cada uno de ello recorre aproximadamente un 10% más de kilómetros. Además resulta una segunda consecuencia impresionante: el consumo de productos petrolíferos se reduce a un 63,6 %, pasando de los 16,35 Mtep del 2004 a los 8,59 Mtep de 2040, por tanto los gases de efecto invernadero también podrían disminuir en esta cuantía.

Atención, estas cifras constituyen una formidable reducción de consumo de energía final y de contaminación, pero, evidentemente, no tendría casi ninguna trascendencia de mejora en la energía primaria consumida y en la contaminación si la energía eléctrica no fuera de procedencia renovable. En la propuesta de este libro se propone alrededor de un 80% de energía de origen renovable, incluida la hidráulica convencional, por lo que los 2,62 Mtep eléctricos necesarios de energía final se convertirían, sólo, en unos 3,5 Mtep de energía primaria, suponiendo un rendimiento del 40% en la generación eléctrica no renovable y las pérdidas de distribución. En esta previsión no resulta fundamental el consumo medio previsto en 2004 en kWh/km que se han indicado en la tercera columna de la Tabla 25.8, pues a efectos de todo el cálculo solo tiene

Tabla 25.9. Consumo de combustibles por el parque de automóviles en 2040 según las hipótesis de la Tabla 25.8.

AUTOMOVIL 2040

Proporción del parque en 2040 %

Tipos de coches Combustión interna

Redistribución de la proporción del tipo de combustible empleado según tipo de automovil en todo el parque de automoviles En % respecto a los 28,86 Mtep de referencia Petroleo

15%

9,71%

Hibrido no enchufable

25%

13,76%

Hibrido enchufable

35%

5,84%

Eléctrico

20%

Pila de combustible

5%

Consumo según tipo de combustible

Gas

Electricidad

4,97%

En valor absoluto del 46,73% de 28,86 Mtep

Biocarburantes

Petroleo

1,99%

2,80

2,82%

3,97

1,20%

1,69

4,11% 0,47% 29,78%

9,08%

Consumo total en % de 2040 respecto al de referencia (30,03Mtep)

Gas

Electricidad

Biocarburantes 0,57 0,81

1,43

0,35

1,19 1,87%

0,14

7,88%

8,59

46,73%

0,54 2,62

Consumo total previsto en 2040

2,27 13,5 Mtep

410


relevancia su aspecto relativo más que su cuantía absoluta. En efecto si se analizan los datos de la Tabla 25.2 (fuente Eurostat) el consumo sale cerca de 0,6 kWh/viajero-km, cuando en la Tabla 25.8 inicialmente se ha considerado un consumo medio de 0,7 kWh/km. En cambio si podría tener cierta trascendencia en los resultados el que los distintos tipos de automóvil realizan el mismo numero de km al año, que es una hipótesis que conlleva implícita la elaboración de la Tabla 25.9. También se debe resaltar que si en el parque de automóviles persistieran los coches con motor de combustión en una cuantía doble, un 30% a costa de disminuir los híbridos no enchufables, pasando estos a un 10%, los resultados obtenidos para el 2040 no cambiarían excesivamente: • • • •

Consumo medio ponderado del coche: 0,339 kWh/km. Consumo total en del parque de automóviles: 14,0 Mtep. Consumo total en % respecto a los 28,86 Mtep de referencia: 48,51%. Consumo total en % respecto 2004: 85,6% (14,0 Mtep respecto a 16,35).

•

Consumo en % de productos petrolíferos respecto 2004: 55,96% (9,02 Mtep respecto a 16,12 Mtep).

Mientras que en el caso de que ya no existieran coches con motor de combustión, los híbridos fueran el 25%, los enchufables el 30%, los eléctrico el 35% y un 10% los de pila de combustible el resultado sería: • • • • •

Consumo medio ponderado del coche: 0,271 kWh/km. Consumo total en del parque de automóviles: 11,18 Mtep. Consumo total en % respecto a los 28,86 Mtep de referencia: 38,8%. Consumo total respecto 2004: 68,5% (11,18 Mtep respecto a 16,35). Consumo en % de productos petrolíferos respecto 2004: 35,2% (5,7 Mtep respecto a 16,12).

Por tanto estas dos nuevos casos nos indican que a pesar de la propuesta planteada, y sin variar el incremento de movilidad habría mucha posibilidad de mejora si se incide en el tipo de vehícu-

Figura 25.2. Posible evolución del parque de turismos según tipo entre 2005 y 2040.


los que compone el parque automovilístico, que en parte puede llevarse a cabo con el desarrollo y apoyo de las energías renovables y una política de fiscalidad apropiada. Parque de automóviles en 2040 De acuerdo con los datos anteriores, dejando aparte los dos últimos ejemplos propuestos, el parque de automóviles quedaría reflejado en la Tabla 25.10, y una posible evolución del parque entre 2004 y 2040 podría ser el indicado en la Figura 25.2 Tabla 25.10. Propuesta del parque de turismos según tipo para 2040. AUTOMÓVIL AÑO 2040 Tipos de coches

Parque de automóviles en 2040 %

Miles de unidades

Combustión interna

15%

4.908

Hibrido no enchufable

25%

8.181

Hibrido enchufable

35%

11.453

Eléctrico

20%

6.544

Pila de combustible Total

5%

1.636

100%

32.722

En la Figura 25.2, los automóviles híbridos enchufables aparecen con unas 2.000 unidades en 2010, potenciados por el plan Movele, pero en 2015 sólo se ha previsto unos 600.000 entre hí-

411

bridos enchufables y los primeros eléctricos, no alcanzando el millón que se prevé para el 2014 en el plan Movele. Los vehículos con pila de combustible aparecen en esta gráfica en 2020, aunque su desarrollo es más lento que las expectativas actuales. Se ha realizado una previsión conservadora, y sería deseable que fuera más rápida y activa, en línea del último ejemplo propuesto. Valoración de la energía eléctrica necesaria para los coches eléctricos e híbridos enchufables En la Tabla 25.9, se indica que se necesita producir 2,62 Mtep/año de energía eléctrica extra para cubrir la demanda energética de los coches híbridos enchufables y los coches eléctricos. Para valorar lo que significa esta energía que equivale a 30.444 GWh/año, o 83,4 GWh/día, puede observarse en la Figura 25.3 que el sistema eléctrico español podría aparentemente cubrirla ya en el 2008. En efecto a la curva de demanda de energía eléctrica del 10/06/2008, tomada como ejemplo, se ha sobrepuesto un rectángulo de 80 GWh (10.000 MW de potencia durante 8h, de 0h a 8h), que aproximadamente rellenaría el hueco de demanda de las horas valle. Realmente a la demanda debería considerarse las pérdidas de la red, la de carga y descarga de las baterías, etc., aparte de la variabilidad de la demanda de energía eléctrica por parte del la recarga de

Figura 25.3. Curva de demanda eléctrica de España del 10/06/2008 y superposición de un rectángulo de 80 GWh (10.000 MW de potencia desde la 0h hasta las 8h).

412


las baterías. Como se ha comentado en apartados anteriores, y como se deduce de la anterior Figura 25.2, la existencia de un importante parque de coches que utilicen la energía eléctrica permite incorporar nuevas cargas en horas de baja demanda y posteriormente, modular cargas en diferentes periodos, por ejemplo entre las 14 h y las 22 h y por tanto la posibilidad de aumentar el parque eólico. Coche eléctrico y parque eólico constituyen un binomio que con su incremento simultáneo permite un avance en la generación de electricidad renovable y en una movilidad sostenible. Aparte de la ya comentada tecnología V2G en capítulos anteriores, sobre el almacenamiento de energía en las baterías de los vehículos híbridos y eléctricos, que permitiría además un mejor acoplamiento de dicho binomio. Autobuses y camiones

Como se ha visto en los párrafos anteriores, los automóviles parecen tener un camino para llegar a constituir un sistema sostenible, y actualmente se están realizando acciones en esta dirección. Sin embargo el problema grave se presenta en el transporte con camiones y también en el aéreo, también en autobuses y autocares aunque por su cuantía tienen menor trascendencia. Los autobuses, en principio, parece que continuarán con sus motores de combustión y con la utilización mayoritaria del gasóleo, pero se ha supuesto con un 17% de biodiesel o más, y en algunos casos de transporte urbano e interurbano con gas natural. Mejoras de la eficiencia, con sistemas automáticos de conducción económica, carrocerías más aerodinámicas, con menos peso, los neumáticos, nuevos motores de combustión (mejoras en inyección, turboalimentación, válvulas de apertura variable, sistemas de postcombustión, cambios de marcha especiales…, sistemas complejos grandes y costosos para reducir el consumo y mejorar la combustión) es presumible e imprescindible que se alcance un 20%; además, todos incorporarán un sistema hibrido para aprovechar la energía de la frenada, optimización del régimen del motor, stopstar… que puede aportar una mejora del consumo de un 10% a un 15%, ya que hoy por hoy no se prevé un autobús u autocar totalmente eléctrico o enchufable. Se considerará el 15%, con el fin de englobar una mayor dimensión de los autobuses y autocares

(doble piso, articulados, tren de ruedas posteriores directrices) que permitirá una mayor economía en v-km, las mejoras del pavimento de circulación, la propia circulación e intermodalidad. Se hace la suposición que los autobuses con gas en las grandes ciudades pueden alcanzar un 5% de todo el parque, aunque a efectos puramente energéticos tienen un consumo especifico ligeramente superior, el 10% mayor respecto a los de combustión con productos petrolíferos, y sólo tiene interés a efectos de una menor generación de gases invernadero y una fiscalidad, actualmente, muy favorable. No creemos que en 2020 se alcance la sustitución del 20% de diesel por un 10% de gas natural (lo que representaría casi el 10% del parque, ya que en 2005 los autocares diesel constituían el 98,35% del parque), como propone actualmente la UE, por tratarse un producto fósil menos eficiente aunque más limpio, necesidad de depósitos especiales más voluminosos y pesados y de una red de abastecimiento especifica. En resumen el global de las citadas mejoras alcanzaría alrededor de un 35% (los de gas 31,8%) sobre el consumo de referencia de 0,97 Mtep de productos fósiles que pasaría a 0,634 Mtep de los que aproximadamente un 5% sería de gas natural (0,495 Mtep de productos petrolíferos, 0,102 Mtep de biocombustibles y 0,035 de gas natural). El transporte urbano en muchas ciudades vuelve a unos modernos tranvías y al metro, con sus elevadas eficiencias y que utilizan la energía eléctrica, a costa de un mayor infraestructura, e incluso en algunos casos sin catenaria sustituida por la recarga en los puntos de parada. No debería descartarse propuestas de electrificar autobuses con un sistema similar de recarga, que en la evaluación de la previsión del consumo no se han ponderado. Por tanto, los 0,634 Mtep puede considerarse una situación desfavorable para los autocares y autobuses a efectos de previsión con un cierto margen de mejora. En una situación muy parecida se encuentran los camiones, pero con la diferencia de que aquí la partida de consumo de todo el parque es muy importante, parecida a la de los automóviles, por lo que se tendrán que realizar actuaciones que actualmente ni se han ideado para minimizarla. Una de las propuestas que tendrá visos de llevarse acabo es por ejemplo el transporte de camiones en tren para atravesar Francia, u cualquier país, o mejor aún, con contai-


ners o remolques con un sistema de carga y descarga especial, que permita un transporte global mucho más rápido: un verdadero transporte intermodal, tal como se propone en el Libro Blanco, los proyectos Galileo... Los camiones, siguiendo la misma tecnología que los autobuses, mejorarán un 20% en el consumo por los motores y su gestión e incorporarán sistemas híbridos, mejora de otro 10%, y solo en las camionetas medianas y pequeñas o camiones urbanos (un 15% del parque) dispondrán de sistemas híbridos enchufables (se supone que recorrerán un 50% de los km con motor de combustión interna y el 50% con el eléctrico). Se considera un 5% adicional de mejora por las múltiples acciones de intermodalidad y la utilización de grandes camiones, mayores que los actuales, más largos (con trailer y remolque) en los grandes trayectos que mejorarán el consumo por tonelada-km. La flota de camiones con gas se considera despreciable. Los resultados con las anteriores premisas para el transporte de mercancías por carretera serían: • • • • •

• •

Incremento de mercancías por carretera respecto 2004: 102,2%. Consumo total de energía: 17,37 Mtep. Consumo total en % respecto a los 26,72 Mtep de referencia: 65% Incremento de consumo total respecto 2004: 31,46% (17,37 Mtep respecto a 13,213). Incremento del consumo en % de productos petrolíferos respecto 2004: 5,31% (13,914 Mtep respecto a 13,213Mtep). Consumo de energía de biocombustibles: 2,850 Mtep. Consumo de electricidad del 15% de parque de camiones: 0,605 Mtep

El resultado que se obtiene, no pueden considerarse sostenible, se consume mucha energía y mucho petróleo, que obligará a buscar alternativas. Como la derivación del transporte de mercancías hacia a otros sistemas más eficientes, como el ferrocarril o el marítimo, y las conexiones de intermodalidad resultarán imprescindibles. Una alternativa a corto plazo se encamina al consumo de biocombustibles de forma masiva, tanto de biodiesel como bioalcoholes además de utilizar los sistemas híbridos. En el caso de sustituir el 50% de los productos petrolíferos por biocombustibles se alcanzaría el mismo consumo de energía total, 17,37 Mtep, pero el consumo de petró-

413

leo disminuiría hasta los 8,38 Mtep, o sea el 63,4% del consumo de 2004. Ferrocarril y tranvía-metro

En el ferrocarril la mayor mejora desde el punto de vista energético será la total electrificación de la red, lo que representaría un consumo energético del 30% respecto a la utilización de combustibles fósiles. Además se considera que la generalización de las mejoras que actualmente se aplican en los trenes de alta velocidad aporte una reducción de un 10% en el consumo de energía a todo el ferrocarril, también en el tranvía y en el metro. Con estas hipótesis los nuevos consumos para el 2040 se situarían en unos 0,16 Mtep para el tranvía, 0,29 Mtep para el ferrocarril de viajeros y 0,30 Mtep para ferrocarril de mercancías, todos de energía eléctrica. Transporte de mercancías por barco

El transporte de mercancías marítimo aún prevé importantes mejoras en: motores, tamaño y peso por nuevos materiales, aerodinámica, y modal. Presumiblemente uno de los cambios más importantes pueda ser el combustible, con la utilización importante del biodiesel e incluso combustibles derivados de residuos. Globalmente se ha considerado una mejora de la eficiencia del 20%, con un 17% de biocombustibles, ya que la renovación del parque es más lenta que en otros sectores, aunque quizás en los barcos más modernos se consigan mejoras del 35% respecto de los valores del 2005. Como consecuencia de estas hipótesis, el consumo total alcanzaría los 2,32 Mtep con 1,93 Mtep de productos petrolíferos. Estos valores seguramente serán superiores debido a que el valor de referencia, año 2004, el consumo fue extremadamente bajo. Transporte aéreo

El transporte de viajeros por avión es el que más crecerá y por tanto alcanzará un consumo significativo de energía dentro del transporte. El sector está en plena vorágine de disminución de consumo. Como se ha comentado en capítulos anteriores el actual y moderno Airbus A-330 tiene un consumo de 3,4 l/100km y asiento, frente a los 4l/100km de otros aviones. El gigante Airbus A-380, que ya ha

414


PREVISIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA EN 2040 POR EL TRANSPORTE EN ESPAÑA

iniciado sus vuelos comerciales, consume con 2,9 l/100 km por asiento, pero el nuevo proyecto de Airbus, el A-350-900 XWB, avión de tamaño medio-grande con unos 300 asientos y apto para todo tipo de rutas y que iniciará sus vuelos de pruebas en 2013, tendrá un consumo de alrededor de los 2,2 l/100km. Los gerentes de Airbus ya anuncian consumos de 2 l/100km. En el momento de la revisión de esta obra, diciembre del 2009, ha realizado el primer vuelo de prueba el Boeing 787 Dreamline, capaz de transportar de 200 a 290 pasajeros y sus constructores indican que consume “un 20% menos de combustible que cualquier otro avión de su tamaño en misiones similares”. La competencia y la legislación, y/o, quizás, el control/limitación de su utilización, ante la importancia del consumo del sector aéreo, obligará a reducir aún más el consumo. Por otra parte, aunque se ha llegado a utilizar biocombustible al 100% en algún vuelo comercial, es plausible creer que se continuará utilizando primordialmente combustibles convencionales, quizás con un 10% de biocombustible. Ante esta situación, y las mejoras de intermodalidad, no solo no es descabellado sino imprescindible proponer una mejora media del 40%, respecto la actual situación, pasando de los teóricos 15,1 Mtep de la Tabla 25.7, a unos 9,06 Mtep indicados en la Tabla 25.11, donde se han tenido en cuenta las mejoras en el periodo 2004-2040, de los que 8,15 Mtep corresponderían a productos petrolíferos y los restantes a biocombustibles.

La conjunción de todas las mejoras propuestas en los distintos modos de transporte aplicadas a la Tabla 25.7 da lugar a la Tabla 25.11 donde se indican los consumos previsibles en 2040 en base a las hipótesis de mejora realizadas. De los resultados de la Tabla 25.11 se pueden concluir como información general más relevante: •

Consumo total del sector del transporte en 2040: 43,62 Mtep. Incremento del consumo energético respecto 2004: 15,27% (43,62 Mtep respecto 37,84 Mtep). Incremento de la movilidad del transporte respecto 2004 (unidades energéticas): 101,8% Mejora ponderada por eficiencia, cambios tecnológicos, intermodalidad, etc. (unidades energéticas): 42,4%. Consumo de productos petrolíferos en 2040: 33,09 Mtep. Consumo en % de productos petrolíferos: 77,7%. Disminución de productos petrolíferos respecto 2004: 4 Mtep. Disminución en % de productos petrolíferos respecto 2004: 10,8%. Necesidad de electricidad extra para el transporte en 2004: 3,98 Mtep.

•

•

•

• • • • •

Tabla 25.11. Datos del transporte en España previstos para 2040 en v-km y t-km, y reparto de la energía en Mtep según el modo de transporte y tipo de combustible. Reparto de 43,62 Mtep de consumo previsto real en 2040 REPARTO DE LA ENERGÍA EN EL TRANSPORTE ESPAÑA AÑO 2040

miles millones

Pasajeros Carretera

v-km

%

660 609

Autobuses 36

Ferrocarril Aéreo

Máritima 16 TOTALES

Electricidad

Mtep

Mtep

9,092 8,595

0,634

0,497

0,035

2,621

Biocarburantes Mtep 2,376

2,621

2,274

0,035

0,452

0,102 0,452

8

0,4%

0,160

0,160

0,7%

0,292

0,292

9,059

8,153

0,906

t-km 403

Ferrocarril

Gas

Mtep

28 20,8% Mercancias

Petroleo

13,489

1,5% 1,0%

Tranvia-metro

Carretera

14,123 30,9%

51

Ferrocarril

Mtep

32,4%

Automovil


Según modo

39,8%

17,368

13,914

5,3%

2,322

1,927

0,7%

0,299

100%

43,62

0,605

2,850 0,395

0,299 33,09

0,035

3,98

6,53

415


• •

Necesidad de electricidad por carretera: 3,23 Mtep. Necesidad de biocarburantes: 6,53 Mtep.

Estas conclusiones aportan las siguientes reflexiones: •

El consumo de productos petrolíferos en 2040 continua demasiado elevado tanto en valor absoluto como en tanto por ciento del consumo total de energía del sector, como respecto a 2004 y deberían realizarse aún acciones más radicales. Los principales consumidores son los camiones, y el transporte aéreo, aunque los automóviles también mantienen un consumo importante. Sin embargo, dejando aparte la alternativa de disminuir el incremento de movilidad, las acciones deberán interactuar con más intensidad en el mismo camino (combustibles alternativos, biocarburantes, electricidad, hidrógeno) y sistemas de tracción con motor eléctrico y pila de combustible. Los camiones, como se ha indicado, deberán utilizar mayor proporción de biocarburantes y/o sistemas de tracción eléctrica con carga rápida y/o cambio de baterías, sistemas de condensadores, etc. En los automóviles puede forzarse aún más su conversión a los motores eléctricos mediante una fiscalidad coherente, mientras que en la aviación el único recurso esta en potenciar transportes alternativos para la

•

•

media distancia, ferrocarril de alta velocidad, en biocombustibles y optimizar el consumo, incluso a costa de disminuir la velocidad de crucero. En cuanto a la movilidad como, ya se ha indicado, quizás no llegue a crecer tanto el transporte aéreo y de mercancías por carretera por el aumento de precios de los combustibles, pero también se llegue a la necesidad de controlar y limitar el transporte aéreo. La necesidad extra de electricidad en el transporte de 2040, 3,98 Mtep, es asumible por el sistema eléctrico y representará un valor inferior al 11% de la generación eléctrica, además favorece especialmente el crecimiento de la generación eólica. En 2008 la capacidad de producción en España de biocombustibles era de 3,29 Mt de biodiesel y 0,45 Mt de bioetanol, equivalente a una capacidad energética de 3,8 Mtep, aunque funcionando totalmente al ralentí. Esta industria se ha creado en menos de 10 años, por lo que cabrá esperar que las necesidades de cerca de 6,53 Mtep en 2040 no representa ningún problema en producirla, y más con el desarrollo de nuevas tecnologías y las posibilidades que aportarán las microalgas.

Durante la exposición se han comentado el caso de que no hubiera ningún coche con motor de com-

Tabla 25.12. Datos del transporte en España previstos para 2040 en v-km y t-km previstos, y reparto de la energía en Mtep según el modo de transporte y tipo de combustible en el caso de que el transporte de mercancías por carretera utilice el 50% de biocombustibles y los automóviles sean un 35% eléctricos, 30% híbridos enchufables, 25% híbridos y 10% con pila de combustible. REPARTO DE LA ENERGÍA EN EL TRANSPORTE ESPAÑA AÑO 2040 Pasajeros Carretera Automovil Autobuses Ferrocarril Tranvia-metro Ferrocarril Aéreo Mercancias Carretera Máritima Ferrocarril TOTALES

Reparto de 41,32 Mtep de consumo previsto real en 2040 miles millones

Según modo

v-km

%

660

21,9%

Mtep 11,818 11,184 0,634 0,452 0,160 0,292 9,059

42,0% 5,6% 0,7% 100%

17,368 2,322 0,299 41,32

28,6% 609 51

36

27,1% 1,5% 1,1%

8 28

0,4% 0,7%

Según modo y tipo de combustible Petroleo Gas Electricidad Biocarburantes Mtep Mtep Mtep Mtep 6,183 0,035 3,307 2,293 5,686 3,307 2,191 0,497 0,035 0,102 0,452 0,160 0,292 8,153 0,906

t-km 403 16

8,382 1,927 24,64

0,605

0,035

0,299 4,66

8,382 0,395 11,98

416


bustión en 2040, aunque si híbridos en un 25% (y un 30% enchufables, 35% eléctricos, 10% pila de combustible), y si además, los camiones utilizaran el 50% de biocombustibles, la combinación de estas dos situaciones convertiría la Tabla 25.11 en la 25.12, en la que el consumo global se reduce en 2,30 Mtep y el consumo de petróleo en 8,45 Mtep, siendo este el 63,4% del que se consumía en 2004 aunque la necesidad de biocombustibles aumentaría en 5,45 Mtep. Esta es una situación técnicamente factible pero a costa de sextuplicar la capacidad de producción actual de biocombustibles. Para finalizar, indicar la situación intermedia del año 2020. Con las previsiones de incremento

del transporte indicadas en la Tabla 25.6, con un parque de automóviles según los valores indicados en la Figura 25.1 (26.100 millones de turismos, con un 84% de combustión, 10% de híbridos, 4,5% enchufables, 1,5% totalmente eléctricos), con un consumo de biocarburantes del 10% en el combustible, y con una mejora en la eficiencia de alrededor del 10% se requiere una cantidad extra de electricidad de 1,47 Mteps y de 3,96 Mteps de biocarburantes respecto a 2004. Una evaluación intermedia para el 2030 lleva a 2,8 Mteps eléctricos.


417

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IV LA VIVIENDA Y EL CONFORT

En la UE el sector doméstico consume un 31% de la energía total, y en España un 26%. La edificación produce un gran impacto medioambiental: sobre la biodiversidad, la destrucción de la capa de ozono, la degradación, el agotamiento de los recursos naturales. Se requiere de un cambio de modelo y diseño. El urbanismo es el primer paso a la concepción y ordenación de la edificación. Constituye el punto de partida para acometer la sostenibilidad y el diseño bioclimático. La casa bioclimática utiliza y potencia los elementos arquitectónicos de siempre para incrementar el rendimiento energético y conseguir el confort de forma natural. Una construcción bioclimática reduce la energía consumida y, por tanto, colabora de forma importante en la reducción de los problemas ecológicos. Las EE RR permiten la producción de agua caliente, calor para calefacción y sistemas de refrigeración, y en algún caso electricidad, que pueden potenciar la arquitectura bioclimática A las distintas clasificaciones que se hacen de los materiales para la construcción, debe añadirse la de los materiales reciclados o no y los que además pueden serlo de una forma sostenible. Materiales como el poliestireno expandido o extruido, poliuretano, lana mineral, o el doble acristalamiento, con marcos metálicos con RPT, PVC o de madera, utilizados en un edificio nuevo o en la rehabilitación permiten un buen aislamiento con un gran ahorro energético de un edificio. La climatología en España es particularmente ventajosa respecto a la mayoría de países de la UE, sobre todo en lo referente a la calefacción, aunque está resultando negativa en cuanto al aire acondicionado. Las instalaciones de ventilación, calefacción, aire acondicionado y agua caliente sanitaria han mejorando mucho en estos últimos años en eficiencia, emisión de contaminantes, ruido, espacio ocupado, etc., además existen muchas soluciones posibles. La aplicación de la domótica en la edificación permite conseguir ahorros energéticos de un 10 a un 50% . El Código Técnico de la Edificación (CTE), el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) y la Certificación Energética de la Vivienda constituyen la normativa más importante de la reglamentación española que afecta a la edificación. Una comparación de la reglamentación española con la de Francia, Italia y Portugal refleja que los requerimientos de aislamiento de distintos elementos (muros, suelos, cubiertas, acristalamientos) son menores en España.

Índice IV: LA VIVIENDA Y EL CONFORT 26. Aspectos ambientales y energéticos de la edificación ... 421 • Introducción .............................................................. 422 • Vivienda y consumo energético ................................ 423 • Los principios de la sostenibilidad en la vivienda: un nuevo diseño ........................................................ 424 • Impactos ambientales de la edificación .................... 430 27. Urbanismo ..................................................................... 437 • Introducción .............................................................. 438 • Distribución de las zonas edificables y los espacios libres.......................................................................... 439 • Trazado de viales ...................................................... 439 • Parcelación ................................................................ 440 • Sistema viario: estudio de tráfico .............................. 440 • Las redes de servicios ............................................... 440 • Posición de la edificación y separaciones entre edificios ..................................................................... 441 • Forma del edificio ..................................................... 441 • La urbanización, la vegetación urbana y las zonas verdes .............................................................. 442 28. Climatología. Cargas térmicas y demanda energética ... 445 • Introducción .............................................................. 445 • Climatología.............................................................. 446 • Cargas térmicas ......................................................... 447 • Demanda energética .................................................. 449 29. Materiales de construcción. Aislantes ........................... 453 • Introducción .............................................................. 454 • Composites................................................................ 455 • Los materiales y su comportamiento frente al calor . 458 • Concepto de aislamiento térmico. Aislantes ............. 460 • Aislantes para la rehabilitación ................................. 467 • Material aislante y reflectante para superficies acristaladas ................................................................ 479 • Cerramientos con vidrios especiales-inteligentes: smart glazings ........................................................... 480 • Diseño y características de bloques de hormigón para su optimización térmica ............................................ 482 30. Ventilación, calefacción y aire acondicionado............... 485 • Introducción .............................................................. 486 • Ventilación. Clases de ventilación ............................ 487 • Calefacción y agua caliente sanitaria ........................ 494 • Generación de calor y/o frío ..................................... 495

• Otros aspectos: redes de distribución, aislamiento térmico, medición y control ...................................... 498 • Microgeneración y su extensión a los barrios district heating .......................................................... 498 31. Domótica ....................................................................... 505 • Introducción .............................................................. 505 • La domótica en la vivienda ....................................... 506 • Arquitectura del sistema domótico, medios de interconexión y estándares ........................................ 508 32. Arquitectura bioclimática ...............................................511 • Introducción .............................................................. 513 • Objetivos de la arquitectura bioclimática ................. 514 • Principios físicos de la arquitectura bioclimática ..... 515 • El diseño bioclimático .............................................. 517 • Futuro de la arquitectura bioclimática ...................... 528 • Las posibilidades de la EE RR y la arquitectura bioclimática............................................................... 531 33. La vivienda sostenible. Materiales para una construcción sostenible. Equipamiento doméstico ........ 545 • Introducción .............................................................. 546 • Los límites del reciclaje en materiales de construcción .............................................................. 547 • Valorización de los residuos destinados a la fabricación de acumuladores de calor ....................... 558 • Almacenamiento térmico por cambio de fase........... 566 • El equipamiento doméstico....................................... 568 • Otros aspectos de la futura vivienda sostenible ........ 578 34. Normativa de edificación en los edificios. CTE, RITE y certificación ................................................................ 581 • Introducción .............................................................. 582 • El Código Técnico de la Edificación (CTE) ............. 582 • El Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edidifios (RITE) ....................................................... 585 • Certificación energética de los edificios ................... 586 • La protección térmica en varios países de Europa .... 587 • Comparación de viviendas construidas según el CTE y con aislamiento optimizado ........................... 588

BIBLIOGRAFÍA. PARTE IV .............................................. 590

Aspectos ambientales y

26

SE REQUIERE DE UN CAMBIO DE MODELO Y DISEÑO EN LA EDIFICACIÓN CON UNA VISIÓN GLOBAL •

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En la UE el sector doméstico consume un 31% de la energía total, y en España un 26%. Al final, teniendo en cuenta tanto los costes energéticos directos (uso de las viviendas) como indirectos (fabricación de los materiales, transporte, construcción, demolición, etc.), se estima que la industria de la construcción consume el 40% de la energía total. Todos estos datos no se tenían en cuenta durante la fase de diseño, actualmente con esta visión global sí deben formar parte de todo el proceso de diseño y construcción de un edificio. En España la superficie de suelo edificable representa un 2,1%. Se incrementó un 29,5% en el periodo 1987-2000, en parte por el cambio del modelo urbanístico de ocupación vertical a horizontal. El incremento del periodo 2000-2007 ha sido muy superior, con un gran impacto sobre el suelo. La cantidad de viviendas construidas en España en estos últimos años ha incrementado casi el 40% de la construcción de la UE, cuando la cuota económica de España, dentro de la UE, ronda alrededor del 10%. Este aspecto ha contribuido al desarrollo exponencial de nuestra economía, pero también está influyendo en la recesión al pararse la construcción. La vivienda tiene un consumo térmico, calefacción y agua caliente, que acapara el 66% del total, le sigue el eléctrico con un tercio. La energía consumida en un hogar medio es de 1,2 tep, que equivale al consumo de un vehículo que consuma siete litros de gasóleo a los 100 km y recorra casi 20.000 km/año. España, en comparación con Europa (UE-15), tiene un menor consumo en calefacción (debido a la benignidad del clima y al mejor aislamiento de las casas en la Europa septentrional) y un menor consumo de electricidad. El consumo per cápita de áridos para la construcción en España es de casi 11 toneladas por habitante y año, lo que supera ampliamente a la media europea, de 7 t/h-año. Cada persona consume, en su vida, cerca de 850 toneladas de áridos, más de 10.000 veces su peso. La edificación produce un gran impacto medioambiental: sobre la biodiversidad, los paisajes, el calentamiento acelerado del clima, la destrucción de la capa de ozono, la degradación, el patrimonio cultural e histórico y el agotamiento de los recursos naturales. Además, a su vez, la construcción y su habitabilidad deben satisfacer todas las normas de inocuidad y de la salud. Se requiere de un cambio de modelo y diseño. El objetivo que se pretende alcanzar es el de la sostenibilidad, concepto que hoy deja de ser una apuesta ética para convertirse en lo que en el

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fondo siempre ha sido: una necesidad. El reto es tan amplio que deben involucrarse las administraciones, los promotores, los arquitectos, los fabricantes de materiales de construcción, los constructores y los compradores. Recientemente, están destacando algunos avances, como el Código Técnico de la Edificación, sin embargo, queda mucho camino por recorrer. La definición más conocida de sostenibilidad dice: “El desarrollo sostenible es aquel que satisface las necesidades presentes sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras de satisfacer sus necesidades”. Sin embargo, si bien el concepto de sostenibilidad es claro resulta algo inconcreto y poco mesurable. La noción de sostenibilidad en el caso de una vivienda engloba conceptos tan dispares como: consumo mínimo de energía, energía de origen renovable, consumo mínimo de agua, mínimo impacto ambiental e integración en el paisaje. Este se consigue con materiales altamente aislantes, sistemas de iluminación de alto rendimiento, acumulación de agua de lluvia, reciclaje de las aguas grises para riego de los espacios verdes, utilización de grifos temporizados mecánicos y electrónicos, uso de electrodomésticos de alta eficiencia, sistema de calefacción por suelo radiante a baja temperatura (en invierno) y suelo refrigerado por agua fría (en verano), etc. La emisione anual media de de CO2 de un español es de 9,47 toneladas por persona y año, de la que un 15% corresponde a la vivienda. Para acercarnos al umbral de la sostenibilidad, cada español (y ciudadano del primer mundo) debería reducir las emisiones por un factor 5,6. La media española del consumo del agua de boca es de 165 litros por persona y día. La vivienda bioclimática optimiza al máximo los consumos pudiendo reducir la cifra a valores, teóricos, inferiores a 80 litros por persona y día. Frente a todos estos despilfarros se debe recurrir a una estrategia para minimizar el impacto ambiental: minimizar de manera equilibrada el consumo de energía, la producción de residuos y la contaminación, y la utilización de materiales reciclados.

Introducción La edificación produce un gran impacto medioambiental, tanto en su aspecto local como global. Localmente, el acto de construir debe preservar los ecosistemas, la biodiversidad, los paisajes, el patrimonio cultural e histórico, mientras que a su vez la construcción y su habitabilidad deben satisfacer todas las normas de inocuidad y de la salud. En relación con su aspecto global, la edificación ha de tener en cuenta el calentamiento acelerado del clima, la destrucción de la capa de ozono, la degradación y el agotamiento de los recursos naturales. El tipo de edificación, y de urbanismo, al que se debería tender, se enmarca dentro de una corriente caracterizada por la equidad, la eficiencia, la suficiencia la sostenibilidad. Se habla de edificación y urbanismo sostenible cuando el hombre y el medio ambiente se encuentran en el centro del proceso de decisión y constituyen sus criterios esenciales e irrenunciables. Se

habla de edificación sostenible cuando, además de ser estéticos, los edificios consiguen que la gente se sienta verdaderamente cómoda, incluso con respecto a sus facturas de energía. El fin último del urbanismo y de la edificación debería ser el de proporcionar a los ciudadanos un bienestar sostenible, esto es, bienestar para todos, hoy y mañana. Para conseguir los cambios necesarios, resulta imprescindible la concienciación y participación de todos los agentes involucrados. Se requiere de un cambio de modelo y diseño. El objetivo que se pretende alcanzar es el de la sostenibilidad, concepto que hoy deja de ser una apuesta ética para convertirse en lo que en el fondo siempre ha sido: una necesidad. El reto es tan amplio que no se puede prescindir de ninguna medida, de ningún agente. Deben involucrarse las administraciones, los promotores, los arquitectos, los fabricantes de materiales de construcción, los constructores y los

Aspectos ambientales y energéticos de la edificación

compradores. Recientemente, están destacando algunos avances, como el Código Técnico de la Edificación (CTE), la Reglamentación de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) y la Certificación Energética, sin embargo queda mucho camino por recorrer. Así en esta línea se recoge, en un informe presentado recientemente por el Parlamento Europeo, “la energía cero en los edificios construidos a partir de 2019”. En él se pide que todos los edificios construidos a partir de 2019 produzcan la misma cantidad de energía que consumen, mediante paneles solares, bombas de calor y otros métodos ligados a las energías renovables. Este objetivo, según indican los parlamentarios, se incluirá en la reforma de la norma que regula el rendimiento energético de los edificios. El diseño de una vivienda unifamiliar ideal, desde el punto de vista de la bioclimática y la autosuficiencia, es aquella que tiene consideración de adosado-semienterrado con efecto cueva. Estará ubicada en la ladera sur de un circo con un lago delante, en alineaciones escalonadas. Configurada por grandes acristalamientos al sur procurando que la cubierta de la vivienda inferior sea el jardín de la superior, lo que la integra totalmente en el entorno. Un modelo de bloque de pisos estaría formado por alineaciones este-oeste de planta baja más tres pisos, bajo cubierta y terraza practicable. Los portales tendrían tres plantas con una vivienda a cada mano de 95 m2 útiles. Al sur, cocina-comedor, salón y dormitorio de niños, y al norte recibidor, despensa-fresquera, baño, servicio y dos dormitorios. Pequeños ventanales y contraventana en la fachada norte. Vidriera corrida y paneles fototérmicos y fotovoltaicos de producción eléctrica en la fachada sur, con aberturas practicables para crear corrientes de aire cruzadas en verano.

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La definición más conocida dice: “El desarrollo sostenible es aquel que satisface las necesidades presentes sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras de satisfacer sus necesidades”. Sin embargo, si bien el concepto de sostenibilidad es claro, resulta algo inconcreto y poco mesurable. Muchos pedagogos recurren a ciertos criterios como la “huella ecológica” (por ejemplo, un vulgar cepillo de dientes representa en realidad 1,5 kg de recursos o un teléfono móvil 75 kg.). Otros estudios se refieren a la presión humana en forma de terreno. Así, mientras la “huella ecológica” que deja sobre el planeta un ciudadano norteamericano es de 9,6 hectáreas, la de un habitante del África subsahariana no alcanza las 1,5 hectáreas y en la UE se acerca a las 5. En diciembre de 2007, la compañía de electricidad Unión FENOSA realizó una encuesta a 3.800 clientes. El resultado revela que si bien el 82% de los encuestados están preocupados por el cambio climático, en un año solo han ahorrado un 0,15% de energía. Solo una utilización más eficiente de la luz, el agua y los combustibles ahorraría hasta un 9,28% del consumo total, lo que equivaldría a 1.646 millones de euros al año. Todo ello forma parte de una campaña de sensibilización para intentar reducir la factura energética del hogar en un 25%. Todas las medidas que se vierten en este capítulo son relativamente fáciles de aplicar cuando se trata de edificaciones a cuatro vientos, o bien viviendas pareadas. El problema se complica para viviendas multifamiliares. Por ello es imprescindible que la arquitectura camine hacia un nuevo diseño de la mano de la planificación y el urbanismo. A menudo la planificación y el urbanismo responden más a criterios recaudatorios o simplemente especulativos que a parámetros sostenibles y ambientales.

Vivienda y consumo energético Una casa con cerramientos o acristalamientos inadecuados, aislamientos insuficientes e instalación de calefacción y agua sanitaria de mala calidad, además de no ser confortable, supondrá a lo largo de su vida una factura energética exorbitante. En el año 2004 existían en España unos 14,5 millones de hogares principales; es decir, primeras resi-

dencias. Es obvio que en los años posteriores a esta fecha la cantidad de viviendas se ha incrementado de manera notable acaparando casi el 40% de la construcción de la UE, cuando la cuota económica de España, dentro de la UE, ronda alrededor del 10%, cifras que contrastan pero, precisamente, han contribuido al desarrollo exponencial de nuestra economía.

424


Sin contabilizar los consumos energéticos del transporte privado, el petróleo, a través de sus productos derivados, es la fuente de energía más utilizada en las viviendas españolas, cubriendo más de la tercera parte de las necesidades energéticas de las mismas. La Tabla 26.1 expone, en cifras de 2005, el consumo de energía final por sectores de la UE-27. Tabla 26.1. Consumo de energía final por sectores UE27 y España en 2007 (Fuente Eurostat, y Secretaría de Estado de la Energía). CONSUMO ENERGIA FINAL EN % ZONA /pais

UE-27

España

2007

2007

Transporte

32,59%

39,09%

Industria

27,89%

33,74%

Hogar

24,58%

Servicios

11,23%

AÑO SECTOR

27,17% Agricultura

2,40%

Otros sectores

1,31%

En el caso de la vivienda, después del consumo térmico que acapara el 66% del total, le sigue el eléctrico, que se lleva otro tercio. La Figura 26.1 muestra la comparación entre la energía consumida en un hogar medio, 1,2 tep (equivalente a 12.000.000 kcal/año o 13.977 kWh/año) versus el consumo de un vehículo que recorra diversas distancias y que consuma siete litros de gasóleo a los 100 km. En la figura se observa que el consumo medio de una vivienda equivale al generado por un coche que recorra casi 20.000 km/año. La Tabla 26.2 muestra, a grandes rasgos, la distribución media de los consumos energéticos en una vivienda, así como su procedencia. Tabla.26.2. Distribución de los consumos en una vivienda. Consumo total

13.977

kWh/año

Calefacción

46%

6.429

kWh/año

Agua caliente

20%

2.795

kWh/año

Electrodomésticos e iluminación

34%

4.752

kWh/año

Figura 26.1. Consumo comparado de una vivienda y un coche de gasóleo.

Los principios de la sostenibilidad en la vivienda: un nuevo diseño La noción de sostenibilidad engloba, en el caso de una vivienda, conceptos tan dispares como: • • •

Consumo mínimo de energía. Energía de origen renovable. Consumo mínimo de agua.

• •

Mínimo impacto ambiental. Integración en el paisaje. Empleo de materiales reciclables.

El cohesionarlos todos obliga a un cambio muy importante en todos los aspectos, desde la ubica-


ción, la orientación, materiales, ventanas, porches, su entorno, la urbanización, el confort, los sistemas energéticos, etc. En definitiva requiere un diseño de la vivienda o de cualquier edificio totalmente nuevo y con una visión global. Un ejemplo de ello lo constituye el proyecto piloto de Fujy-Arquitectura por Naturaleza, Figura 26.2. La vivienda Fujy se localiza en la urbanización El Alcor 2 del municipio de El Escorial, Madrid, y fue inaugurada a mediados de 2007. La vivienda ha sido diseñada siguiendo parámetros bioclimáticos, lo que permite aprovechar las características climáticas de la zona a favor del confort interior y del ahorro de energía. La construcción, de forma rectangular alargada y compuesta de planta baja más un piso, se desarrolla en sentido este-oeste, de forma que más del 65% de las fachadas se orientan hacia el sur y el norte aprovechando la posibilidad de controlar la radiación solar y garantizar la ventilación cruzada de los espacios.

425

En la planta baja (Figura 26.3), a la que se accede por medio de una pasarela de madera para eliminar posibles barreras arquitectónicas, se han distribuido las estancias diurnas, la cocina, la lavandería, una habitación doble y un baño adaptado. En la planta primera se encuentran otras dos habitaciones, un baño común, los invernaderos de todas las estancias y la gran terraza cubierta de la habitación suite que se proyectó como un piso dentro de la vivienda para permitir el uso selectivo de solo unos pocos metros, en el caso de uso intermitente tipo “fin de semana” de la construcción, con el consecuente ahorro que eso representa. En general, las características que definen un proceso de diseño arquitectónico de construcción sostenible son: •

Integración urbanística en el paisaje gracias al diseño bioclimático de la construcción, que presenta en cada orientación un trata-

Figura 26.2. Vivienda plurifamiliar Fujy sostenible.

Figura 26.3. Vivienda plurifamiliar Fujy sostenible (fachada sur).

426

•

•

•

• • •


miento diferente de las fachadas y de los huecos de iluminación y ventilación. Uso de materiales, acabados y mobiliario interior seguros y renovables gracias al uso también de madera certificada. Integración en el proyecto de diferentes sistemas pasivos (aislamiento por inercia, carpintería con ruptura de puente térmico, lamas de control solar, rejas eléctricas de precalentamiento de las estancias, cristales térmicos, persianas rotativas de control solar, invernaderos y secadora solar). Producción de energía térmica por paneles solares, caldera modulante a condensación de alto rendimiento. Acceso sin barreras arquitectónicas y baño adaptado para minusválidos. Sistema integrado de control de la eficiencia energética de las instalaciones. Aplicación domótica integrada en las instalaciones de la casa para garantizar la seguridad de los espacios y el ahorro de energía.

Ahorro de energía y de agua gracias al uso de: • • • • • •

Materiales altamente aislantes. Sistemas de iluminación de alto rendimiento. Acumulación de agua de lluvia. Reciclaje de las aguas grises para riego de los espacios verdes. Utilización de grifos temporizados mecánicos y electrónicos. Uso de electrodomésticos de alta eficiencia.

•

Sistema de calefacción por suelo radiante a baja temperatura (en invierno) y suelo refrigerado por agua fría (en verano).

TRATAMIENTO DE LAS FACHADAS Para cumplir con todos estos objetivos de diseño el tratamiento de cada fachada ha de ser diferente, siendo transparente hacia el sur, cerrado hacia el norte, protegido hacia el este y el oeste. Los invernaderos de la fachada sur (Figura 26.4), permiten aprovechar el calor del sol en invierno para calentar las estancias. Durante las temporadas más cálidas, la vivienda debe protegerse de los rayos del sol (que inciden muy verticales) y se refresca aprovechando la convección natural y la impulsión de aire fresco procedente de la fachada norte. El sistema de invernaderos regulado por rendijas eléctricas y ventanas domóticas permite a su vez refrescar las habitaciones en verano. En invierno (Figura 26.5), los rayos solares inciden menor tiempo que en verano pero de manera muy horizontal, el aire caliente que se acumula en su interior se impulsa hacia las habitaciones mientras en verano se expulsa al exterior. Dependiendo de la apertura o del cierre de las dos rendijas eléctricas de la pared y del suelo y de las ventanas de la cubierta, se ordena si se desea más calor o más frescor. El uso de lamas de protección solar y de voladizos en los balcones acentúa el funcionamiento bioclimático de los invernaderos.

Figura 26.4. Fachada sur en una arquitectura bioclimática.


427

Figura 26.5. Aprovechamiento de calor en la fachada sur.

ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS La arquitectura sostenible obliga a replantear todo el proceso de diseño, construcción y gestión de un edifico con el fin de disminuir su impacto negativo en el medio ambiente. Por ello, todas las acciones deben encaminarse a disminuir las emisiones, fomentar el consumo energético responsable, optimizar los materiales, mejorar el bienestar y la salud de las personas y reducir el coste de mantenimiento de los edificios. Elementos estructurales Teniendo en cuenta la altura de un bloque como el mencionado anteriormente, los muros deben ser autoportantes y los pilares de fábrica maciza. En la fachada norte el aislamiento debe ser importante y el acabado exterior liso, por ejemplo, enlucido a base de una monocapa de cal hidráulica. Los forjados con sólidos de madera, bovedillas de cerámica y plaqueta de cerámica sobre mortero con perlón de polipropileno y zuncho perimetral de cal hidráulica con cuatro varillas de acero corrugado. El muro longitudinal central puede estar confeccionado a base de arcadas de fábrica. La terraza debe tener debajo del mortero de la plaqueta una lámina impermeabilizante. Los canalones pueden ser de acero inoxidable o zinc-titanio. Los desagües, de polipropileno (son más duraderos, menos ruidosos que los metálicos y también recuperables).

La distribución de espacios para la edificación en pequeños bloques debería ser: la zona de día al sur, la cocina-comedor y el salón al sureste. Los lugares de tránsito y baños-lavadero al norte y/o noroeste. La fresquera-despensa al norte. Los dormitorios, si el espacio lo permite y se pretende calentarlos por radiación solar directa, deben orientarse al sur, manteniendo la distancia suficiente para que los edificios colindantes no den sombra. Si no se orientan al sur, habrá que dotar a la fachada sur de un elemento de captación y transporte de energía termosolar, por ejemplo, de un mirador (invernadero) con conductos que creen una corriente convectiva hasta los dormitorios. Los elementos estructurales de hormigón armado deben ser los estrictamente imprescindibles. Lo ideal es utilizar cal-hidráulica y varilla corrugada de acero con derivación a tierra, independiente de la eléctrica. Los materiales de construcción deben ser de baja emisividad radiactiva, inferior a 150 milirems/año, y aquellos que van a estar en contacto directo con los seres vivos y alimentos no deben superar los 100 milirems/año (sirvan como ejemplo a tener muy presente las encimeras de granito sobre las que se manipulan los alimentos). Así, en los granitos es habitual la presencia de un isótopo radioactivo del silicio. Para refrigerar un piso de 90 m2, es suficiente con diseñar los aleros de forma que tengan el vola-

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dizo adecuado para que en verano aporten sombra a toda la fachada y en invierno dejen penetrar la radiación solar. Las plantas con mucha superficie fólica ayudan a mantener un adecuado nivel de humedad. Además se puede introducir aire fresco en la vivienda desde el extremo de un conducto (a poder ser cerámico de diámetro interior de 250 mm) de bastantes metros de longitud, que transcurra enterrado a una profundidad de 1,2 m (como mínimo, si el suelo es de relleno) por el suelo de un jardín que tenga mucha vegetación y se encuentre en la parte norte del edificio (para que este le dé sombra). El aire fresco entrará en la vivienda a través de una rejilla cubierta por una gasa de algodón humidificado (por estar uno de sus extremos introducido en una pequeña cisterna de agua, similar a la de los inodoros) en la parte inferior de la cara norte de la vivienda (por ejemplo, a través de la fresquera). Este aire saldrá por el extremo opuesto de la vivienda, o sea, por la parte superior del vértice opuesto a la entrada del aire. Hay que colocar un regulador de flujo automático (por ejemplo, a contrapeso) para evitar que la corriente de aire en el interior de la vivienda exceda de 0,5 m/s. Para garantizar una efectiva extracción del aire, se deben sellar adecuadamente cuantas uniones y empalmes haya en el recorrido de los conductos de ventilación, elevar la salida del conducto hasta 1 m por encima de la cumbrera y dotarlo de un extractor dinámico a efecto venturi (no eléctrico), y acristalado en su cara sur para calentar el aire de su interior, garantizando una adecuada extracción. Aislamientos naturales Teóricamente los materiales de cerramiento deberían ser lo más naturales posible (que no emitan ni radiaciones, ni gases, ni partículas tóxicas), de procedencia lo más cercana posible a la obra y de elaboración lo más sencilla posible. Impermeables al agua, permeables al vapor, conductores, que no alteren el campo magnético natural y que tras su vida útil sean fácilmente recuperados, reciclados o reutilizados en otra aplicación. Como ejemplo de lo comentado anteriormente, para los aislamientos se recomienda el corcho de alcornoque, la celulosa de papel reciclado aglomerada, los tableros de paja y cal, el granulado de

corteza de pino con sales de bórax, las cortezas de avellanas, almendras y nueces tratadas con pentaborato, el panel ligero de cáñamo, etc. El aislamiento es aconsejable colocarlo hacia el exterior, con rotura de puente térmico sobre los elementos estructurales, para que trabajen como elementos de inercia térmica. Si no tiene un cerramiento adicional, el acristalamiento al sur es conveniente que sea de tipo planiterm; si tiene una persiana o contraventana utilizar climalit plus eko. El acristalamiento cara norte se recomienda siempre planiterm puesto que es el más aislante. También hay que tener en consideración los elementos de amortiguación térmica desde el interior, como las cortinas térmicas a multicapa, (lana-algodón-lana). Instalaciones eléctricas Evitar la proximidad de electrodomésticos en la cabecera de la cama, aunque haya un tabique por medio (por ejemplo, el frigorífico, que por la noche también funciona). Sobre todo el reloj-despertador (si es enchufable) que se suele tener en la mesilla, muy próximo a la cabeza. Existen teorías en que se indica que la cabecera es conveniente que esté orientada al norte para que el campo electromagnético del planeta fluya en el mismo sentido que el nuestro. También se deben evitar los materiales férricos en las inmediaciones de las camas para no alterar el campo magnético natural. Comprobar que cuando se apagan los electrodomésticos desde su interruptor, se ha cortado la línea de fase y no el neutro. En tal caso seguirá activa la línea y, en consecuencia, seguirá generando un campo eléctrico. La instalación eléctrica que se suele colocar de enchufe a enchufe en la cabecera de la cama debe instalarse en forma de “U” bordeando dicha cabecera para evitar el campo eléctrico que emana aún sin tener consumo. Evitar cualquier tipo de instalación eléctrica, hidráulica, de calefacción, etc., en la vertical de la cama (tanto por debajo como por encima) para que no se vea afectada por cargas electrostáticas. El frigorífico es conveniente que esté ubicado en un cuarto frío (fresquera) con la rejilla bien ventilada (a poder ser directamente en fachada norte) para ahorrar energía.


INTENSIDAD ENERGÉTICA EN LOS HOGARES En España y durante el período 1980/2004 el incremento de demanda energética para usos eléctricos y térmicos fue, respectivamente, de un 105% y del 24%. Durante el periodo 1990/2007, etapa que refleja la Figura 26.6, el incremento de los usos eléctricos fue del 46,24% y los térmicos del 21,83%, y en conjunto un 28,89%, con un incremento medio anual en este periodo cercano al 1,7%. En el periodo 2000 a 2007 los incrementos respectivos fueron del 19,04%, 11,99% y 14,21% con un incremento medio anual de 2,72%, 1,71% y conjunto del 2,03%, a pesar de la disminución en usos térmicos y eléctricos en los año 2006 y 2007. Se estima que en 2007, el consumo de cada hogar en

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los usos eléctricos fue de 3.992 kWh/hogar (0,344 tep/hogar) y el consumo en relación con los usos térmicos de 0,703 tep/hogar. El consumo total se situó en 1.047 tep/hogar, por los que se aprecia una disminución en relación con el año anterior del 0,86%, y de alrededor del 4% entre el 2006 respecto al 2005, por lo que podría indicar un cambio de tendencia o, por lo menos una inflexión significativa del consumo. En cuanto a la comparación con Europa (UE15) hay que destacar dos hechos: el menor consumo de los hogares españoles en relación con la calefacción (debido a la benignidad del clima y al mejor aislamiento de las casas en la Europa septentrional) y también en un menor consumo de electricidad, Figura 26.7, aunque en los últimos años, desde 2005, España ha atrapado y superado

Figura 26.6. Consumo energético en los hogares españoles en tep/hogar (Fuente IDAE y MICYT).

Figura 26.7. Consumo eléctrico en los hogares españoles y de la UE-15 y UE-27 en kWh/hogar y año (Fuente EnR/IDAE).

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a la media de la UE-27 debido al consumo del aire acondicionado. Según remarca el Ministerio de Medio Ambiente, y Medio Rural y Marino, España es uno de los países europeos que menos energía eléctrica consume en el sector residencial, pero ha presentado una fuerte tendencia al alza hasta el año 2006, mientras que en los países de nuestro entorno y en la Unión Europea se observa una tendencia más clara hacia la contención del consumo

EL DISEÑO DE LA VIVIENDA ENERGÉTICAMENTE EFICIENTE Una vivienda energéticamente eficiente implica: •

•

•

Que tenga un buen aislamiento térmico. Ahorrará más del 50% de energía. Lo ideal consiste en aislar el exterior de la vivienda para evitar el calor en verano y aislar el interior para evitar el frío del invierno. Por otro lado, hay que comprobar el aislamiento de las ventanas, fijándose en el tipo de ventanales y cristales utilizados. Que tenga un buen sistema de refrigeración. Es importante que sea una vivienda bioclimática que cuente con una buena iluminación. Puede resultar un poco más cara pero su gran ahorro energético, de hasta el 70%, amortiza su mayor coste. Una vivienda bioclimática implica una buena localización y el microclima en que se integra. Una buena ventilación favorece el ahorro energético. El color de los muros o tejados, cuanto más oscuros implica mayores ahorros de energía. Asimismo, cuanto más compacto el edificio, menos energía se malgasta. Que cuente con buenas instalaciones sanitarias de agua caliente. Lo ideal es con-

tar con una instalación centralizada para la producción de calor ya que resulta más eficiente que las instalaciones particulares. Además, son preferibles las calderas de condensación y los sistemas con un depósito para la acumulación del agua caliente. Los consumidores y usuarios tienen todo el derecho a pedir la “memoria de calidades” cuando se va adquirir una vivienda. De hecho, está previsto que en unos años todos los países de la Unión Europea acrediten con un certificado energético cualquier vivienda. La certificación energética de los edificios en España entró en vigor en octubre de 2007, afectando a los edificios de nueva construcción y a las modificaciones, reformas o rehabilitaciones de edificios existentes con una superficie superior a 1.000 m2, o si se renueva más del 25%. Los edificios de bajo consumo energético, también llamados “casas pasivas”, comenzarán a construirse en Europa a finales de 2008, con una total expansión en 2015, en el marco del Plan de Acción y Eficiencia Energética de la Comisión Europea, que pretende reducir en un 20% el consumo energético antes de 2020. En septiembre de 2007 el secretario de Estado de Universidades inauguró en Almería un edificio capaz de ahorrar un 80% de la energía usada normalmente para el funcionamiento. Se trata de un edificio de 1.700 m2 destinado a oficinas y centro de investigación del CIEMAT. El edificio se enmarca en el Proyecto Singular Estratégico Arfrisol (2005-2010), dirigido por el CIEMAT, que desarrolla cinco prototipos arquitectónicos que deben servir como punto de referencia para edificios bioclimáticos eficientes.

; Cualquier operación urbanística, cualquier edificación causa un impacto en el medioambiente. En términos absolutos, siempre hay un consumo energético, de materiales, siempre queda una huella en el paisaje. La sostenibilidad trata de reducir

este impacto al mínimo. La Figura 26.8 muestra los principales impactos. En los párrafos siguientes se desarrollan más ampliamente estos conceptos.


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Figura 26.7. Impactos ambientales de una edificación.

IMPACTO POR LA OCUPACIÓN DEL SUELO La ocupación del suelo se ha acelerado en España durante las últimas décadas hasta transformar cada día una superficie de 30.000 metros cuadrados, similar a la que ocupan tres campos de fútbol. La superficie de suelo edificable en España, que representa un 2,1%, se incrementó un 29,5% en el periodo 1987-2000. Entre las causas principales se encuentra la transformación del modelo urbanístico de ocupación vertical a horizontal. El incremento del periodo 2000-2007 ha sido muy superior.

EL IMPACTO DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN En la UE el 40% de los materiales se destina al sector de la construcción. En España el consumo anual de áridos para la construcción se ha duplicado durante los diez últimos años. Asimismo, en España, se necesitan más de dos toneladas de materiales por metro cuadrado construido. Las estimaciones anuales que realiza ANEFA (Asociación Nacional de Empresarios Fabricantes de Áridos), partiendo de los datos directos e indirectos disponibles, arrojan un nuevo hito histórico en los datos de consumo de áridos para la construcción en 2005: 460,3 millones de toneladas. El consumo per cápita de áridos para la construcción, con casi once toneladas por habitante y año, supera ampliamente a la media europea, que se sitúa en

torno a siete toneladas por habitante y año. Según la ANEFA, cada persona consume, en su vida, cerca de 850.000 kilogramos áridos, más de 10.000 veces su peso, cantidad equivalente a la transportada en 32 camiones bañera.

EL IMPACTO ENERGÉTICO DE LA VIVIENDA España tiene una dependencia energética de casi el 80%, muy por encima de la media europea, que es del 50%. Desde la década de los años 90, a pesar de que el crecimiento de la población ha sido inferior al 0,3% anual, los consumos energéticos han ido creciendo a una tasa del 2,5% anual, debido principalmente al aumento del equipamiento doméstico. Por otro lado se ha mantenido un incremento progresivo del número de vehículos turismos. Así, los sectores de la vivienda y el transporte han sido los que más han incrementado su consumo en los últimos años. El consumo de energía de las familias españolas es ya un 30% del consumo total de energía del país, repartiéndose en partes casi iguales entre el coche privado y la vivienda. El consumo energético se genera, por un lado, en la fase de construcción de las viviendas, y por otro lado, durante el uso de las mismas. Cabe mencionar que el consumo energético por el uso de la vivienda depende, al margen del clima, tanto del comportamiento del usuario como del diseño constructivo de la misma. En la Unión Europea, el sector doméstico (viviendas y otros edificios) con-

432


Tabla 26.3. Consumos energéticos y emisiones asociadas de CO2. % energía

kWh/año

kg CO2 /año

% emisión

Calefacción

46,0%

6.429

1.467

34,4%

Agua caliente

20,0%

2.795

638

15,0%

Electrodomésticos

16,0%

2.236

1.015

23,8%

Cocina

10,0%

1.398

635

14,9%

Iluminación

7,0%

978

444

10,4%

Aire acondicionado TOTAL

1,0%

140

63

1,5%

100,0%

13.977

4.262

100,0%

sumen un 31% de la energía total, y en España un 26% del total. Por una parte, el consumo energético, debido al uso de las viviendas por las familias españolas, representa el 15% del consumo de energía total. Por otra parte, se estima que el 24% del gasto energético industrial (para la fabricación de cemento, vidrio, cerámica, etc.) y cerca del 40% de la energía del transporte en España están relacionados con la construcción. Al final, teniendo en cuenta tanto los costes energéticos directos (uso de las viviendas) como indirectos (fabricación de los materiales, transporte, construcción, demolición, etc.), se estima que la industria de la construcción consume el 40% de la energía total. Todos estos datos no se tenían en cuenta durante la fase de diseño, actualmente con esta visión global sí deben formar parte de todo el proceso de diseño y construcción de un edificio. La Tabla 26.3 muestra un reparto característico del consumo de energía doméstico con las emisiones de CO2 asociados. Es fácil deducir que: •

La conversión energía/calor, caso de la calefacción y agua caliente sanitaria (y nor-

•

malmente cocina), es mucho más eficiente que la conversión energía/electricidad. Donde debe ponerse más esmero es en reducir el gasto en calefacción, puesto que es el primer contribuyente energético.

IMPACTO SOBRE EL EFECTO INVERNADERO Considerando que viven tres personas de media por vivienda, los 4.262 kg de CO2, a que hace referencia la Tabla 26.3, corresponden a unos 1.420 kg CO2 equivalentes por persona y año. Son, aproximadamente, el 15% de las emisiones anuales de un individuo en España. La Tabla 26.4 refleja estos parámetros y llega a la conclusión de que la emisión total media por español, debido a la vivienda, es de 1,42 toneladas de CO2 equivalente/año. La naturaleza puede absorber aproximadamente unas tres giga-toneladas (Gt) de carbono por año (que corresponden a once giga-toneladas de CO2). Por lo tanto, habría que ajustar las emisiones a este nivel. Estas 11 Gt de CO2 distribuidas de manera equitativa entre los 6.500 millones de individuos del planeta corresponden a una cuota “universal de

Tabla 26.4. Cuota de emisión de CO2 debido a la vivienda. Habitantes de España

42.000.000

Personas

Hogares españoles

14.000.000

Hogares

3,0

Personas/hogar

Emisiones per cápita en vivienda

1,42

t CO2/persona y año

% de emisión sobre el total de la vivienda

15%

Media personas por hogar

Total emisiones per cápita de cada español

9,47


Habitantes del planeta

6.500

Millones personas

Capacidad de absorción de carbono de la Tierra

3.000

Mt C/año

Capacidad de absorción de CO2 de la Tierra

11.000

Mt C/año

“Derecho de emisión” universal por persona

1,69


Los españoles (y mundo industrializado) deben reducir

5,60

Veces la emisión


emisión” de 1,69 toneladas de CO2/persona y año. Sin embargo, tal y como indica la tabla, la media de emisión de un español es de 9,47 toneladas CO2 por persona y año. Por lo tanto, para acercarnos al umbral de la sostenibilidad, cada español (y ciudadano del primer mundo) debería reducir las emisiones por un factor 5,6. España está situada en la zona de Europa más vulnerable al cambio climático. El problema del cambio climático debería preocupar más a los españoles de lo que dicen las estadísticas. De hecho, una investigación reveló en 2007 que, en un cuadro de fuerte crecimiento económico y alto consumo de combustible fósil, como el actual, la península Ibérica llegaría a registrar un aumento de temperaturas de 4,4 grados. Asimismo el estudio, en el que han participado científicos españoles, pronostica que entre un 14% y un 38% de la población mediterránea vivirá en cuencas que tendrán grandes problemas de escasez de agua. A pesar de estas previsiones bastante alarmantes, y desgraciadamente serias, las emisiones en España no dejan de aumentar. En relación con los datos de 1990, año de referencia para la aplicación del Protocolo de Kyoto, las emisiones de gases de efecto invernadero han aumentado en España el 45%, muy por encima del límite del 15% asignado en el marco de la Unión Europea. El Estado español es el miembro de la Unión Europea que más se aleja del objetivo establecido por el Protocolo de Kyoto.

IMPACTOS GENERADOS POR EL AGUA Y LOS RESIDUOS Por lo que hace referencia al agua de boca, la media española es de 165 litros por persona y día. En esta cifra se incluyen todos los consumos denominados domésticos: agua potable, de higiene, de riego, etc. Es evidente que el consumo per cápita de los habitantes que viven en urbanizaciones, cada año en aumento, se incrementa puesto que a los consumos anteriores hay que añadir el riego del jardín. La vivienda bioclimática optimiza al máximo los consumos pudiendo reducir la cifra a valores, teóricos, inferiores a 80 litros por persona y día. Se produce una gran variedad de residuos desde la construcción de las viviendas hasta su demoli-

433

ción. En España, se genera una tonelada de residuos de construcción y demolición por habitante y año. Menos del 5% se recicla o se reutiliza, cuando se podría valorizar el 60%. (Técnicamente ello es factible ya que algún miembro de la UE, como los Países Bajos, supera el 90%). Estos residuos apenas contaminan, pero tienen un fuerte impacto visual sobre el paisaje. El escombro bruto supone aproximadamente el 80% de los residuos de construcción y demolición (RCD), pero además hay un 15% de plásticos y materiales recuperables, un 5% de voluminosos y un porcentaje pequeño de sustancias que sí pueden ser contaminantes. Numerosos gobiernos autónomos se han marcado objetivos para reducir un 5% la generación de residuos de construcción, garantizar la recogida y la correcta gestión del 90% de los que se produzcan y reciclar o reutilizar el 50%. En la concepción de la arquitectura se puede usar prácticamente cualquier material, sean cuales sean sus propiedades, siempre que esté debidamente caracterizado de acuerdo con su uso, que las propiedades que lo definen sean suficientemente constantes para poder desarrollar una tecnología de aplicación, y que sean conocidas y aceptadas por el prescriptor que tiene que ordenar su uso. Son materiales de construcción tanto los que participan en misiones tan poco selectivas como los rellenos, como los que se usan en la fabricación de hormigones de alta resistencia o de hormigones autocompactables (por cierto, en estos hormigones tan especiales se suelen utilizar cenizas volantes y humo de sílice que proceden de residuos industriales). Hay que albergar la esperanza de que, en un futuro, todos los materiales que se usen en la construcción lleguen a satisfacer uno de los principios fundamentales de la sostenibilidad: poseer un ciclo de vida cerrado, es decir, que la materia prima básica proceda de los residuos de la propia construcción y la demanda de nueva materia prima se justifique únicamente a partir del crecimiento vegetativo. El reciclaje en obra es el complemento idóneo de la clasificación de otra demolición. Si se arbitra una pequeña central de tratamiento (machaqueo de la fracción pétrea, compactadora de plásticos y de papel, etc.) se puede producir un producto, que:

434 • • •


Sea usado en forma de rellenos (áridos para subbases, drenajes, etc.). Se reduzca su volumen y se mejoren por tanto sus condiciones de transporte. Sea aceptado por un reciclador externo.

En definitiva, que se cierre el ciclo de los materiales y que se imite, en la medida de lo posible, a los ciclos naturales. La arquitectura es una actividad que tiene relación directa con la sostenibilidad, ya sea en su origen: la materia prima para fabricar los materiales, durante la obra con el impacto paisajístico y con los residuos generados durante la construcción y, sobre todo, los residuos que ocasiona la demolición. En análisis ambiental de la actividad de la construcción exige, por lo menos, valorar tres vectores: •

•

•

La integración de las edificaciones, ya sea en el medio urbano o rural, según corresponda. La aplicación de aquellos instrumentos que faciliten el ahorro de recursos, como electricidad y agua, durante todo el ciclo de la construcción. El uso correcto de los residuos en la doble vertiente: la reutilización de materiales en la vivienda nueva o en la restauración. En definitiva que la actividad de construcción permita la reutilización de los residuos.

Desde el punto de vista de los materiales de construcción no se dispone, en la actualidad, de una evaluación aceptada y ordenada para la clasificación de los materiales de construcción y su relación con el medio ambiente. Sin embargo, los criterios que se avanzan en los apartados siguientes van en esta dirección: •

•

Utilizar materiales que sean fácilmente reciclables. En este sentido deben dejarse en segundo lugar los denominados materiales compuestos ya que presentan ciertas dificultades a la hora de su tratamiento. Aplicar el análisis de ciclo de vida a los diversos materiales de construcción. Ello arroja luz sobre el previsible impacto en el uso de uno u otro material. Por ejemplo, sobre la energía gastada en la extracción y en

•

•

•

•

•

el proceso de fabricación de un determinado material. Respetar los ecodiseños y los criterios que favorezcan el peso mínimo, a igualdad de prestaciones técnicas, puesto que el impacto en transporte y colocación es menor. La durabilidad. Esta propiedad debe prevalecer sobre otras estimaciones pasajeras, como la moda o la oportunidad. En construcción se fija una edad de 100 años como meta ideal. La promoción de materiales de construcción elaborados a partir de residuos y la reutilización de residuos de la construcción. La cantidad de energía asociada a la materia prima, la utilizada en la fabricación de un material y la naturaleza de la misma. Los efectos secundarios derivados del empleo de un determinado material. Ya sea su naturaleza tóxica, radioactividad, etc.

En España, en cuanto a la distribución por áreas, los residuos proceden de: • • •

70% de la edificación. 20% de edificios industriales. 10% de obra pública.

ESTRATEGIA DE MINIMIZACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Una estrategia óptima para minimizar el impacto ambiental sería aquella que utilizase soluciones que minimicen de manera equilibrada los efectos que estos producen sobre el medio ambiente, es decir, sobre el consumo de energía, la producción de residuos y la contaminación, por ejemplo: •

•

•

Utilización de materiales reciclados para la producción de los agregados del hormigón en lugar de utilizar materias primas naturales. Reutilización de residuos de otras construcciones o demoliciones, en un nivel de alta calidad y que no sean utilizados en aplicaciones de baja importancia o vertidos en los vertederos. Reciclaje de materiales: reutilización de la madera, utilización de materiales reciclados/reutilizados en la construcción de las


paredes, techos y suelos; uso de residuos industriales en algunos materiales. Cabe destacar que la madera es un recurso natural renovable, que consume poca cantidad de energía en su proceso de transformación como material de construcción, pero los tratamientos de conservación y protección que se apliquen pueden originar emisiones y residuos tóxicos. Las pinturas, disolventes y los tratamientos realizados a la madera plantean importantes riesgos para la salud humana y los perjuicios que supone al ambiente a lo largo de su producción, uso y disposición final. El impacto ambiental debido al transporte de los materiales supone un coste indirecto en términos de contaminación en cuanto a las emisiones de CO2 producidas por los gases de escape. El diseño del edificio y la elección de los materiales se debe realizar teniendo en cuenta una minimización en la cantidad de materiales que liberen sustancias químicas peligrosas y la incorporación de materiales y componentes con un bajo índice de ODP (ozone depletion potential).

• • •

• • • •

Aislamiento y ventilación. Sistemas de control de la energía en los edificios y otros controles automáticos. Uso de monitores y gestores energéticos. Control por ordenador de la iluminación,

temperatura y condiciones climáticas. Desarrollo en aplicaciones de baja energía y tecnologías limpias. Fuentes de energía renovable. Diseño basado en un consumo bajo de energía y planificación para una eficiencia energética.

La calidad en la edificación es la clave para relanzar el mercado, que empieza en la fase de diseño, mejorar las condiciones medioambientales y ahorrar recursos energéticos. Esta visión incluye tanto los materiales como los sistemas o estrategias urbanas que inciden sobre la calidad. Entre las propuestas que contribuirán a mejorar la calidad en la edificación se pueden mencionar las siguientes: •

•

Minimización de los consumos energéticos en la utilización de las construcciones Desde la proyección de los edificios se puede controlar en gran medida su consumo energético. Posteriormente, en la utilización de los edificios tendrá una gran importancia la gestión de la energía, la intervención de los usuarios y el mantenimiento. La implantación de los edificios juega un papel fundamental en el consumo de energía. No siempre se pueden escoger las condiciones más favorables, pero la referencia al clima, la vegetación, la topografía y el tejido edificado tienen que ser un primer paso tanto si se aprovecha como si no, para protegerlo de las condiciones adversas. Para llevar a cabo un uso eficiente de la energía y de su conservación se tendrán que considerar los siguientes aspectos en la construcción de los edificios:

435

•

•

•

Limitar el riesgo económico que supone actualmente la compra de inmuebles y promocionar las inversiones en proyectos de construcción de alta calidad. Crear el etiquetado ecológico tanto para edificios como para productos de construcción y favorecer un mecanismo de mercado que promueva el cambio hacia esta realidad. Reducir los costes constructivos e introducir el concepto del menor coste posible en el mantenimiento del inmueble. Incrementar la estandarización de los diferentes componentes de la construcción y mejorar la diseminación de aquellas tecnologías y sistemas de interés general. Desarrollar sistemas apropiados de control de calidad adaptados a las necesidades de los constructores y diseñadores, orientados a promocionar una garantía en los resultados energéticos del edificio.

La calidad del ambiente interior Los materiales y los componentes con los que se construye el edificio pueden ser una fuente de materiales problemáticos, como suelen ser ciertos tratamientos químicos aplicados a diferentes materiales, que se evaporan en la atmósfera del edificio. Los sistemas de control ambiental y otros servicios incrementan el confort y la salubridad de los ambientes en los edificios.

436


Actualmente se está investigando en la reducción y eliminación de las emisiones de los productos químicos contenidos en los diferentes materiales y otras aplicaciones para mejorar la calidad del ambiente interior. Se pueden considerar los siguientes aspectos en cuanto a la calidad del ambiente interior:

• • • •

Caracterizar las fuentes de emisión y los elementos contaminantes del aire. Optimización de los equipos de ventilación. Clarificar los aspectos sociológicos relacionados con la calidad del aire. Controlar los elementos contaminantes del aire.

Urbanismo

27

EL URBANISMO ES EL PUNTO DE PARTIDA DE LA CONCEPCIÓN DE UN EDIFICIO QUE TENGA EN CUENTA LA SOSTENIBILIDAD. • •

•

•

•

• •

•

El urbanismo es el punto de partida de la concepción de un edificio que tenga en cuenta la sostenibilidad. Las características del microclima urbano condicionan las necesidades energéticas de los futuros desarrollos urbanos. La información microclimática de una zona debe incluir: orientación solar, datos térmicos, topografía, régimen de vientos, vegetación e hidrogeología. Las distribuciones urbanas densas liberan mayores superficies para espacios verdes libres y concentran el coste de la urbanización y de las infraestructuras. Los modelos de ciudad extensos aumentan las redes de transporte, incrementan el consumo energético y la contaminación, mayor destrucción del paisaje y perturbaciones en el ciclo hidrológico, pasando por una pérdida de la calidad del ocio. El trazado de calles y parcelas se realizará con relación a la topografía y condicionantes del lugar, pero sin que se comprometa la mejor orientación de los edificios, en aras a reducir las necesidades energéticas futuras de la edificación tanto en invierno como en verano. La orientación sur de la edificación es la que mejor comportamiento energético consigue en invierno y en verano por cuanto los aportes por radiación son máximos en invierno y mínimos en verano. Hay que concebir una moderación del tránsito que favorezca la circulación del transporte público y las bicicletas, con dotaciones suficientes y atractivas de vías peatonales y para las bicicletas, seguras y separadas de las del tráfico rodado. También una adecuada previsión de aparcamientos alrededor de las paradas de transporte público. El proyecto de urbanización incluirá aquellos servicios que fomenten el ahorro energético, así como la gestión de los recursos naturales y la recuperación y reciclado de residuos. Para la posición del edificio se tendrá en cuenta el microclima, la insolación, la contaminación acústica, la ventilación y todos aquellos parámetros cuyo control pueda incrementar el potencial de ahorro energético. Garantizar el acceso al sol es una de las prioridades en las nuevas ordenaciones, puede realizarse con un estudio detallado de soleamiento. La forma del edificio debe potenciar los aportes solares y minimizar las pérdidas allí donde la calefacción es la principal necesidad, y fomentar los mecanismos de ventilación y refrigeración natural, en climas calidos. La edificación cuenta tradicionalmente con elementos arquitectónicos, como porches, galerías, tribunas, atrios y en general los espacios de transición entre el interior y el exterior para contribuir al control ambiental.

438 •

•

•


La vegetación y las zonas verdes deben contribuir al ahorro energético, tanto para el control climático como por su contenido energético. El arbolado, elementos de agua, porosidad del pavimento, elección de materiales y secciones constructivas pueden contribuir a reducir el efecto “isla de calor” que se produce en las ciudades. Los árboles de hoja caduca y copa ancha protegen las plantas inferiores de las viviendas en verano, permitiendo el acceso del sol en invierno. Los efectos acústicos pueden controlarse. La sección de la calle debe ser como mínimo del doble de la sección de la calzada. Utilizar pavimentos absorbentes del ruido. Si hay que utilizar barreras acústicas, estas funcionan mejor cuando se sitúan o próximas a la fuente de ruido o próximas a la edificación que se quiere proteger. Para el alumbrado público se incorporarán tecnologías de ahorro energético, lámparas de vapor de sodio a alta presión u otras de alta eficiencia. Se utilizará el nivel lumínico para la jerarquización de las vías, y un estricto control horario.

Introducción El urbanismo es el primer paso a la concepción y ordenación de la edificación. Constituye el punto de partida para acometer la sostenibilidad y un diseño bioclimático, en la que orientación, volúmenes, formas son parámetros fundamentales. En este capítulo se detallan algunos objetivos y recomendaciones que deben considerarse en las diferentes etapas del proceso de planeamiento urbanístico en función de una eficiencia energética y que son complementarios al diseño bioclimático de los edificios, que se verá más adelante. Evidentemente en el diseño de un edificio se insistirá de nuevo en la importancia de su orientación y otros aspectos que se desarrollan en este apartado sobre urbanismo y que constituyen el nexo entre edificación y urbanismo de una vivienda bioclimática. Un edificio consume energía de forma continuada, desde su construcción hasta su muerte, en cantidades muy importantes. El suelo también es un bien limitado, por consiguiente los criterios de concentración o diseminación de una futura urbanización están condicionados a modelos de territorio distintos en cuanto a su disposición, tamaño de espacios libres y su uso por parte de la población. La adaptación de los transportes públicos, la accesibilidad a equipamientos y servicios deben ser reconsiderados por su influencia en el consumo energético. A continuación se presentan, de forma genérica en los siguientes apartados, los objetivos y recomendaciones para condicionar el planeamiento

urbanístico desde la perspectiva energética y de la sostenibilidad.

MODELOS Y USOS URBANOS: ANÁLISIS DEL LUGAR Las características del microclima urbano condicionan las necesidades energéticas de los futuros desarrollos urbanos. Por tanto la clasificación del suelo y la asignación de la edificabilidad, densidad, y tipos y características del asentamiento tendrán en cuenta las condiciones del microclima. La información microclimática de una zona debe incluir: orientación solar, datos térmicos, topografía, régimen de vientos, vegetación e hidrogeología. Las áreas con pendientes de terreno al sur permiten un desarrollo de mayor densidad que en las áreas llanas puesto que las obstrucciones entre edificios son menores. Las zonas cálidas, que precisen mayores necesidades de refrigeración que de calefacción, y las pendientes al oeste son las menos favorables para conseguir la eficiencia energética. Las distribuciones urbanas densas liberan mayores superficies para espacios verdes libres y concentran el coste de la urbanización y de las infraestructuras. Los modelos de ciudad extensos aumentan las redes de transporte y por tanto incrementan el consumo energético y la contaminación. Además el crecimiento de ciudad difuso implica la destrucción del paisaje y perturbaciones en el ciclo

Urbanismo

hidrológico, pasando por una pérdida de la calidad del ocio (dictamen del Comité Económico y Social sobre el tema “Desarrollo sostenible en materia de construcción y vivienda en Europa”). Es necesaria

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la integración de los usos residencial, comercial, laboral, recreativo y otras actividades en la escala local con el fin de minimizar el consumo energético originado por el transporte diario.

+ Se debe distribuir la edificación, las zonas verdes y los edificios de servicios de manera que permitan el mayor y mejor uso energético de todos ellos, en función de las tipologías escogidas y de las condiciones climáticas de la zona. Para los territorios susceptibles de clasificación o recalificación, cuando las obstrucciones naturales o preexistentes sean notables y sea dudoso el soleamiento en invierno, la documentación de información deberá contar con un plano de sombras permanentes y arrojadas en un día concreto. El estudio de sombras permanentes es muy importante para la valoración de zonas verdes, lugares de ocio y para el reconocimiento previo del terreno de los emplazamientos para desarrollos urbanos. Hay que tener en cuenta que las viviendas, calles y otras zonas de circulación necesitan sombra,

mientras que los colectores de agua sanitaria, piscinas y jardines necesitan sol. La inclinación del sol en verano es muy elevada. Por consiguiente el efecto del sombreo por la edificación es reducido. La orientación sur de los edificios es la que mayores cotas de sombra en verano proporciona. No obstante para garantizar el sombreo en verano de las zonas de uso público, el papel de la vegetación va a ser muy importante. Las fachadas sur, en términos de eficiencia energética, se consideran las situadas entre -30º y + 30º respecto al sur. Existen usos apropiados para zonas en sombra en invierno, como: viales con alta previsión de tránsito; las centrales de servicios de distrito o los de usos con fuerte demanda energética; y aquellos que en ningún caso aprovechan las condiciones ambientales, es el caso, por ejemplo, de los centros comerciales.

Trazado de viales El trazado de calles y parcelas se realizará con relación a la topografía y condicionantes del lugar pero sin que se comprometa la mejor orientación de los edificios, en aras a reducir las necesidades energéticas futuras de la edificación tanto en invierno como en verano. La orientación sur de la edificación es la que mejor comportamiento energético consigue en invierno y en verano por cuanto los aportes por radiación son máximos en invierno y mínimos en verano. A ello se suma la facilidad por conseguir protección solar mediante pequeños aleros en orientación sur. En los viales de orientación N-S la tipología de los edificios debería ser no convencional a efectos energéticos, lo cual no siempre es posible. Para fijar la anchura de las calles se deben tener en cuenta las obstrucciones solares generadas por la edificación y la posición de dicha edificación

respecto a la alineación de la vía. El plano de sombras permite su verificación. En nuestro clima hay que considerar beneficioso el sombreo de la calle en verano. La orientación E-O es la que mayores sombras proporciona en verano. En el caso de la existencia de vientos hay que ponderar sus efectos. Así, si sus efectos son positivos, el trazado de calles y la posición de los edificios pueden influir en mantener los flujos naturales de aire frío, durante el día y la noche, en función de la orientación del valle, situación del mar, y asegurar la correcta ventilación natural en verano. En cambio si los efectos son nocivos se puede evitar alinear las vías con las direcciones predominantes, rompiendo la regularidad, evitando los edificios singularmente altos, etc.

440


Parcelación La configuración de las parcelas debe tener en cuenta, junto con los parámetros de la ordenación de la ciudad, que sus características van a condicionar la posición de la edificación y por lo tanto van a incidir en la eficiencia energética de los edificios. Uno de los objetivos es configurar solares donde los edificios puedan ubicar la fachada principal al sur, buscando patrones no rectangulares.

Diseñar parcelas que no determinen edificaciones con grandes profundidades. Esta topología es preferible en cuanto comporta disponer viviendas con dos fachadas opuestas lo que influye sobre la ventilación natural cruzada y garantiza que cualquier vivienda siempre tenga una fachada mejor orientada.

# < El planeamiento urbanístico debe tener por objetivo la política para la reducción de emisiones de CO2 que emite el transporte, y de la contaminación acústica, fomentando los desplazamientos a pie o en transporte público. Hay que concebir una moderación del transito que favorezca la circulación del transporte público y las bicicletas, con dotaciones suficientes y atractivas de vías específicas seguras o separadas de las del tráfico rodado. La aprobación de un plan director debe ser condicionada al acceso del transporte público al área de nuevo desarrollo. Crear espacios y rutas peatonales atractivas y seguras para fomentar los desplazamientos a pie. El espacio peatonal dentro de una vía con tráfico rodado debe ser, como mínimo, del orden del 40% del total de ese vial. La acera mínima para uso peatonal ha de ser de 3 m, de manera que se pueda circular en los dos sentidos. Se propone una ordenación en áreas ambientales, que aseguren niveles de contaminación

acústica aptos para el uso residencial. La contaminación acústica puede impedir la ventilación natural de las viviendas, que conlleva asociado también un mayor consumo energético en verano. Un área ambiental es una zona donde la circulación del coche se restringe a residentes o carga y descarga. La conexión entre áreas ambientales se realiza desde los viales exteriores donde además se debe prever una circulación segura de bicicletas y peatones. Se debe estudiar el tráfico de paso, el interno y el de acceso, con los correspondientes horarios. Para reducir la circulación rodada es necesario realizar una adecuada previsión de aparcamientos. Alrededor de las paradas de transporte público se deberían prever un número de plazas de aparcamiento de intermodalidad y aumentar las dotaciones de aparcamiento para uso residencial en el interior de las parcelas (subterráneo o de superficie). La evolución tiende a los tres o cuatro coches por familia para el año 2020.

Las redes de servicios El proyecto de urbanización incluirá aquellos servicios que fomenten el ahorro energético, así como la gestión de los recursos naturales y la recuperación y reciclado de residuos. Plantear sistemas de recogida del agua de lluvia cuando se pueda prever su reutilización posterior para riego, limpieza u otros usos. Esto conlleva una red separada de colectores de aguas negras y

los de lluvia, con los consiguientes tanques de retención y laminación de aguas pluviales. En cuanto a la gestión de residuos, implantar un sistema de recogida de residuos que garantice el fomento de la recogida selectiva. Recogida selectiva que puede realizarse con contenedores en la calle, por sistemas subterráneos o por recogida neumática.

Urbanismo

441

= Se ha de cuidar la posición del edificio teniendo en cuenta el microclima, la insolación, la contaminación acústica, la ventilación, y todos aquellos parámetros cuyo control pueda incrementar el potencial de ahorro energético. Es importante evitar que el planeamiento imponga restricciones que impidan soluciones bioclimáticas o estudios arquitectónicos pormenorizados. Ordenar la edificabilidad fijando uno o dos parámetros, dejando así cierta libertad en el tercero (edificabilidad, altura reguladora máxima y gálibo amplio de ocupación, por ejemplo, o edificabilidad ocupación máxima y gálibo amplio de altura). Liberalizar las alineaciones en tipología aislada. Cuando el uso comercial o de servicios sea importante, se puede mantener la alineación en esos usos y liberalizar la posición del uso residencial para buscar su mejor orientación. La normativa urbanística debería dejar la puerta abierta a soluciones diferentes y justificadas mediante estudios de detalle. No obstante también sería interesante que la misma norma tuviera una cierta flexibilidad con el fin de dejar abierto el camino a soluciones energéticas aún más favorables. En todos los planos la posición norte debería estar grafiada para facilitar la valoración del soleamiento. Garantizar el acceso al sol a las nuevas ordenaciones no implica cambios sustanciales en los criterios de ordenación, o en los parámetros urbanísticos, como aprovechamiento o densidad. Se requiere un estudio detallado de soleamiento del proyecto de ordenación. La magnitud de la som-

bra proyectada a lo largo del día es función, o bien de la altura del edificio o bien de su longitud en planta. Hay que estudiar la relación entre altura del edificio y el ancho del espacio libre, sean calles o espacios verdes o públicos en función del asoleo. Este estudio debe relacionarse con las densidades resultantes en beneficio de buscar el equilibrio. En el sector residencial hay que preservar de sombras las fachadas de las viviendas una hora como mínimo, entre las 10 h y 14 h solar el 21 de enero. El estudio grafico de sombras en planta es el instrumento idóneo para verificar el cumplimiento de la condición de acceso al sol. Condicionar la ubicación del edificio en el solar para maximizar su acceso al sol. Situar cada edificio en su solar de acuerdo a sus propias características. Esto puede conllevar soluciones asimétricas respecto a la calle, con lo que el urbanista debe utilizar esta rotura de la simetría más como un reto que como una limitación. Orientar la cara más larga (mínimo aconsejable 1,5 veces la profundidad) del edificio al sur, entre -30º y + 30º, con el fin de maximizar el potencial de captación solar. Como ya se ha comentado, en los municipios donde el viento sea importante, deberá realizarse un estudio empírico de vientos a fin de minimizar sus efectos nocivos y potenciar los posibles beneficios. También hay que analizar los ruidos, realizar un plan de corrección y orientar la edificación en la dirección a la emisión del ruido. Es más favorable esta orientación para evitar los efectos de la contaminación acústica que la posición ortogonal a la emisión de ruido.

> El objetivo al diseñar la forma del edificio desde el punto de vista urbanístico consiste en potenciar los aportes solares y minimizar las pérdidas allí donde la calefacción es la principal necesidad, y fomentar los mecanismos de ventilación y refrigeración natural, en climas calidos. Se debe potenciar la fachada al sur y minimizar las restantes. En viviendas aisladas o pareadas dos a dos, tienen buenos resultados energéticos cuando

la fachada sur es del orden de 1,5 a dos veces mayor que la fachada oeste. En climas donde la calefacción sea la principal necesidad se debería reducir la relación de fachada y volumen, para la compactación del edificio, y minimizar las pérdidas. Las viviendas unifamiliares consumen el doble de energía en comparación con las unidades residenciales en los edificios plurifamiliares. A pesar de tener más limitadas las

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posibilidades de captación solar, la proporción se mantiene por el hecho de minimizar también las pérdidas. Para sectores de nueva ordenación, el planeamiento urbanístico debe expresar la preferencia de construir en profundidades edificables reducidas y por la edificación en vivienda pasante. Hay que limitar la profundidad de la edificación para eliminar las viviendas con orientación exclusiva al norte y favorecer la ventilación cruzada. La ventilación cruzada es el sistema de ventilación natural que garantiza mayores ahorros en consumos por refrigeración. La edificación cuenta tradicionalmente con varios elementos arquitectónicos que contribuyen al control ambiental. Entre ellos los porches, galerías o tribunas, atrios y en general los espacios de transición entre el interior y el exterior. Actualmente estos elementos computan de un modo u otro a efectos de edificabilidad u ocupación, y por el contrario no suponen una ganancia de espacio realmente útil en la vivienda, con lo que han dejado de proyectarse. La normativa urbanística debería revisar su cuantificación o descripción para fomentarlos. Los elementos de captación activos contribuirán a un mejor aprovechamiento de los aportes solares. Una bonificación fiscal sería un incentivo importante a tener en cuenta. En tipología de edificación aislada los elementos salientes, cuando se hallen frente a fachadas de componente sur, no deberían computar a efectos de ocupación. Para las balconeras entre 1 m y 1,5 m se garantiza una correcta protección solar para orientaciones sur, hasta 45º sur, sin perjudicar el acceso al sol en invierno.

No deberían admitirse cuerpos salientes cerrados o semicerrados en orientación norte. Caso de admitirse su construcción debería tener un coeficiente inferior a 2,4 W/m2 ºC (equivalente a vidrio con cámara y persiana exterior aislante). El vuelo lateral de los elementos salientes incrementa notablemente la protección solar en verano sin penalizar el acceso al sol en invierno. Los vuelos deberían dimensionarse respecto a la anchura del hueco, como mínimo de 30 cm. Debería garantizarse una iluminación mínima en los patios de luz, con un hueco mínimo en función de la altura. Por ejemplo, se podrían considerar los siguientes valores que propone la Tabla 27.1 para patio de luz de planta cuadrada. Tabla 27.1. Dimensiones de hueco cuadrado mínimo a efectos de iluminación en función del número de pisos del edificio (Fuente: Eficiencia energética y urbanismo, IDAE). Nº plantas del

[; patio

% de patio respecto

1

10

4,5

2

10

4,5

3

12

5,3

4

20

8,6

5

35

14,2

6

45

17,5

El edificio, en especial la cubierta, debe permitir las instalaciones de producción de agua caliente sanitaria, tal como propone el Código Técnico de la Edificación (CTE), que se comentará más adelante. Deberá tenerse en cuenta su inclinación a efectos de utilizar sistemas de energía renovables.

La urbanización, la vegetación urbana y las zonas verdes Se debe utilizar la urbanización, la vegetación y las zonas verdes para el ahorro energético, tanto para el control climático como por su contenido energético. Los árboles y plantas pueden acondicionar las características climáticas en el ámbito de todo el plan urbanístico. En España, muchos de los climas existentes pueden suavizarse con el adecuado diseño urbano. El arbolado, elementos de agua, porosidad del pa-

vimento, elección de materiales y secciones constructivas pueden contribuir a reducir el efecto “isla de calor” que se produce en las ciudades. En las zonas libres comunitarias, cuando menos el 60% de su superficie debería estar ajardinada, manteniendo la porosidad natural del terreno, consiguiendo drenaje, impacto sobre el subsuelo y asegurar a la vegetación su función de controlador climático.

Urbanismo

Utilizar árboles de hoja caduca y copa ancha para proteger las plantas inferiores de las viviendas en verano y permitiendo el acceso del sol en invierno. Es necesario que las fachadas principales con orientación de componente +90º sur cuenten con arbolado de protección solar. Plantar los árboles de alineación altos al lado sur de las calles y los pequeños al lado norte. Plantar los árboles fuera de un arco de 45º a 50º alrededor de los colectores solares. Utilizar el agua de fuentes, con control horario para ahorro energético, o de láminas que faciliten la evaporación y la refrigeración del aire circundante y el albedo. Utilizar vegetación autóctona o adaptada, resistente a la escasez de agua. Utilizar para el riego aguas no potables, recicladas o subterráneas sobrantes, automatizar la red de riego. Los efectos acústicos pueden controlarse. La sección de la calle debe ser como mínimo del doble de la sección de la calzada. Utilizar pavimentos

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absorbentes del ruido, con reducción de 2 a 3 dB, que aunque de forma limitada, reducen el ruido a casi la mitad (la medida del ruido es logarítmico). Con aglomerado asfáltico absorbente acústico (con menor proporción de betún y una mayor porosidad) se consigue reducción del ruido y una menor absorción de calor. Los arbustos al borde de la acera y árboles altos de copa espesa (que no sean de aguja filiforme) más cerca de la edificación contribuyen a levantar el sonido. Las barreras acústicas funcionan mejor cuando se sitúan, o próximas a la fuente de ruido o próximas a la edificación que se quiere proteger, pero nunca en puntos intermedios. Para el alumbrado público se incorporarán tecnologías de ahorro energético, lámparas de vapor de sodio a alta presión u otras de alta eficiencia. Se utilizará el nivel lumínico para la jerarquización de las vías, el control horario, etc.

Climatología. Cargas térmicas y demanda energética

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REGLAMENTARIAMENTE ESTÁ DEFINIDO CÓMO DEBE SER UN EDIFICIO PARA MANTENER EL CONFORT EN SU INTERIOR COMPATIBLE CON EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO PARA CONSEGUIRLO. •

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•

La climatología en España es particularmente ventajosa respecto a la mayoría de países de la UE. Sobre todo en lo referente a la calefacción, aunque está resultando negativa en cuanto al aire acondicionado. Así, por ejemplo, en Cataluña los días de máximo consumo eléctrico se han desplazado del invierno al verano en los últimos años. Para evaluar las cargas térmicas y la demanda energética de un edificio situado en España la reglamentación española contempla doce zonas climatológicas. Se entiende por carga térmica a la potencia de refrigeración o calefacción que requiere una instalación, en un determinado instante, para mantener unas determinadas condiciones térmicas interiores. El cálculo es complejo. Se debe tener en cuenta la geometría solar y la radiación solar a cualquier hora y en cualquier situación geográfica. Se efectuará para cada local; los locales de grandes dimensiones se dividirán en zonas teniendo en cuenta su orientación, ocupación, uso, ganancias internas etc., y en cada uno de ellos se tendrán en cuenta las características constructivas y orientaciones de fachadas, influencia de los edificios colindantes o cercanos, horarios de funcionamiento de los distintos subsistemas, ganancias internas de calor, ocupación y su variación en el tiempo y espacio, índices de ventilación y extracciones. La demanda energética es la energía necesaria para mantener en el interior del edificio unas condiciones de confort definidas reglamentariamente en función del uso del edificio y de la zona climática en la que se ubique. Se debe tener en cuenta la demanda energética de calefacción y de refrigeración. La actual legislación determina una limitación de la demanda energética de un edificio en función de su zona climática y utilización. Se puede comprobar que la cumple mediante una opción simplificada o por la general con la aplicación del programa informático oficial o de referencia LIDER que realiza de manera automática los cálculos, previa entrada de los datos que definen totalmente el edificio.

Introducción La climatología en España es particularmente ventajosa respecto a la mayoría de países de la UE,

sobre todo respecto a la calefacción, aunque resulta negativa respecto al aire acondicionado en verano,

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que está en un continuo crecimiento. Esta situación se ha dado, por ejemplo, en Cataluña en los últimos años: los días de máximo consumo eléctrico de los últimos años se han desplazado del invierno al verano, debido a que los equipos de aire acondicionado funcionan con electricidad. En este sentido históricamente los edificios españoles han tenido un aislamiento menos cuidado que otros países europeos, situación que continúa, y que se comenta y documenta en un apartado posterior, a pesar de la reciente nueva legislación que impone unos límites mínimos de aislamiento a cualquier nuevo edificio o reforma de uno existente. La climatología es un parámetro fundamental para la evaluación de las cargas térmicas y la demanda energética de un edificio. Son tres aspectos que están ligados a efectos del comportamiento energético de un edificio. La climatología viene determinada por la ubicación del edificio. La evaluación de las cargas térmicas y de la demanda energética dependen de la climatología y de las soluciones arquitectónicas adoptadas, como orientación del edifico, aberturas, aislantes de los cerramientos, equipos de calefacción, refrigeración, ACS (agua caliente sanitaria), etc. Su evaluación

determina finalmente la calificación energética del edificio. Este da una medida del aprovechamiento energético del edifico. Variando las soluciones arquitectónicas variarán la carga térmica y la demanda energética. De esta forma es posible elegir la solución que se considere idónea para obtener una situación de confort en cualquier instante en el interior del edificio con un buen aprovechamiento energético. La evaluación de las cargas térmicas y la demanda energética está regulada por la legislación vigente y resulta un proceso complejo a realizar por especialistas. Además requiere la utilización de programas informáticos especializados, en concreto el programa LIDER que la Administración ofrece libremente como referencia. Los datos de la climatología de cualquier edificio que se sitúe en España están tabulados. El Documento Básico (DB) sobre ahorro de energía, DB-HE, del Código Técnico de la Edificación (CTE), tiene por objeto establecer reglas y procedimientos que permiten cumplir las exigencias básicas de ahorro de energía. Estos se han redactado siguiendo las disposiciones de la normativa europea. Las secciones de este DB están desarrolladas a lo largo de los apartados HE 1 a la HE 5.

Climatología La climatología constituye el parámetro inicial para la evaluación de las cargas térmicas y la demanda energética de un edificio. En consecuencia delimita las soluciones que permitan una situación de confort en el interior del edificio en cualquier instante con el mejor aprovechamiento de los recursos energéticos y medioambientales. En la Sección D, Zonas climáticas, del HE1 del DB-HE, se hace referencia a la división en zonas climáticas de España a efectos del cálculo de la carga térmica y de la demanda energética de un edificio. En la tabla D.1 de este documento se determina la zona climática de cualquier localidad. Esta se indica en función de la diferencia de altura que exista entre la localidad en donde se quiere ubicar la edificación y la altura de referencia de la capital de su provincia. Si la diferencia de altura fuese menor de 200 m o la localidad se encontrase a una altura inferior que la de refe-

rencia, se tomará, para dicha localidad, la misma zona climática que la que corresponde a la capital de provincia. En dicho documento también se indica la posibilidad de determinar la zona climática a partir de registros climáticos. Esta es mucho más compleja, y para especialistas. Intervienen los términos de la severidad climática de invierno (SCI) y de verano (SCV) que se obtienen a partir de funciones polinómicas con dos posibles correlaciones. Intervienen la media de la radiación global acumulada para los meses de enero, febrero y diciembre, o junio, julio, agosto y septiembre, según sea para invierno o verano, y los grados-día de invierno en base 20 (para cada mes, calculados en base horaria y posteriormente divididos por 24) para los mismos grupos de meses. La determinación de zonas climáticas se obtendrá a partir del cálculo de las severidades climáticas de invierno y de verano


para la localidad donde se ubica el edificio objeto de cálculo. Por severidad climática (SC) de una localidad se entiende el cociente entre la demanda energética de un edificio cualquiera en dicha localidad y la correspondiente al mismo edificio en una localidad de referencia. En la reglamentación del DB-HE se ha tomado Madrid como localidad de referencia, siendo, por tanto, su severidad climática la unidad. Se define una severidad climática para verano (SCU) y una otra para invierno (SCI). Los grados-día de un periodo determinado de tiempo se definen como la suma, para todos los días de ese periodo de tiempo, de la diferencia entre una temperatura fija, o base de los grados-día, y la temperatura media del día, cuando esa temperatura media diaria sea inferior a la temperatura base. A título de orientación se indica que una vez obtenidas las dos severidades climáticas, la zona climática se determinará localizando los dos in-

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tervalos que indica dicha normativa, correspondientes a los que se encuentran dichas severidades. Para invierno se definen cinco divisiones distintas y para verano se definen cuatro divisiones. Combinando las cinco divisiones según el intervalo de SCI con las cuatro de SCV, se obtienen 20 zonas distintas, de las cuales se han retenido únicamente las doce en las cuales se ubican las localidades españolas. Las doce zonas se identifican mediante una letra, correspondiente a la división de invierno, y un número, correspondiente a la división de verano, como se muestra en la Figura 28.1, que corresponde a la tabla D.1. del DB H1. Para las zonas A1 y A2, que no aparecen en el cuadro, se considerarán a todos los efectos las mismas exigencias correspondientes a la zona climática A3. De la misma manera para las zonas B1 y B2 se considerarán a todos los efectos, las mismas exigencias correspondientes a la zona climática B3, y para las zonas E2, E3, E4 se considerarán las de la zona climática E1.

Figura 28.1. Zonas climáticas (Apéndice D de la Sección HE1 del Documento Básico HE Ahorro de Energía).

Cargas térmicas Se entiende por carga térmica a la potencia de refrigeración o calefacción que requiere una instalación, en un determinado instante, para mantener unas condiciones térmicas interiores dadas de un edificio o parte del mismo. La ITE 03.5 (Instrucción Técnica de la Edificación) indica que para realizar el cálculo de las cargas térmicas de los sistemas de calefacción o climatización de un edificio o parte de un edificio,

una vez fijadas las condiciones de diseño, se tendrán en cuenta los siguientes factores: • • •

Características constructivas y orientaciones de fachadas. Factor solar y protección de las superficies acristaladas. Influencia de los edificios colindantes o cercanos.

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Horarios de funcionamiento de los distintos subsistemas. Ganancias internas de calor. Ocupación y su variación en el tiempo y espacio. Índices de ventilación y extracciones.

El cálculo se efectuará independientemente para cada local; los locales de grandes dimensiones se dividirán en zonas teniendo en cuenta su orientación, ocupación, uso, ganancias internas, etc. En régimen de calefacción, la máxima carga sensible se obtendrá como suma de las cargas de cada local, considerando la simultaneidad debida a diferencias de horario. En régimen de refrigeración, la máxima carga térmica total se obtendrá como suma de las cargas simultáneas de cada local, considerando las variaciones, en el espacio y en el tiempo, de las ganancias de calor debidas a radiación solar y cargas interiores. En ambos casos se estudiarán distintas situaciones de demanda térmica del sistema al variar la hora del día y el mes del año. Esta búsqueda, además de conducir al hallazgo de la demanda térmica simultánea máxima, permitirá efectuar una correcta selección del fraccionamiento de potencia de los equipos en cuanto se refiere al tamaño de las unidades. Cuando se utilicen sistemas de acumulación de energía térmica, el cálculo de cargas se efectuará para cada hora a lo largo del tiempo de funcionamiento establecido para el sistema, en el día de máxima demanda, determinándose la capacidad necesaria de acumulación para satisfacer en estas condiciones los niveles de bienestar fijados. Si se quiere realizar un cálculo de las cargas térmicas se ha de partir de una base de datos con las condiciones geográficas y climáticas del lugar (latitud, altura respecto al nivel del mar, temperaturas, etc.) que se ha comentado en el apartado anterior. Se deben tener todos los datos de los cerramientos, huecos, forjados y cubiertas del edificio. Por otra parte, estos datos también serán necesarios con los programas oficiales y de referencia LIDER y CALENER, que serán comentados más adelante. También para el cálculo de las cargas térmicas es necesario definir los puentes térmicos, planos para ventanas, las sombras del edificio. Se puede

introducir el dintel, la caja de persiana, el alféizar y el nicho u hornacina. Las sombras de las ventanas y de sus elementos en voladizo permiten evaluar la radiación entrante, que es un factor importante para evaluar las cargas térmicas. En los programas informáticos se ofrecen bibliotecas de cerramientos, tabiquerías, forjados y cubiertas que el usuario puede ampliar. La orientación del edificio es fundamental en los cálculos. Si se realiza informáticamente, habitualmente solo se define una única vez, y el programa asignará de forma automática a todos los elementos exteriores la correspondiente orientación. Una vez establecidos estos elementos, cerramientos, etc., deben definirse los recintos o locales que constituyen el edificio. Cada local se define señalando los cerramientos que lo envuelven. En instalaciones donde hay clitmatización-calefacción, los datos de cada uno de ellos deben ser: • • • • •

Condiciones interiores. Ocupación. Iluminación. Ventilación. Equipos u otras cargas.

El complejo cálculo de cargas térmicas del edificio de verano e invierno, con el objeto de lograr un acondicionamiento correcto, se realiza por medio de las funciones de transferencia. El cálculo de cargas debe tener en cuenta la geometría solar y la radiación solar a cualquier hora y en cualquier situación geográfica. De este modo, la aproximación a la realidad de la temperatura sol-aire es mayor. También hay que calcular las cargas de ocupación e iluminación, así como las de transmisión a través de los huecos. De esta forma se determina la carga térmica máxima de refrigeración para todos los recintos y la carga térmica simultánea máxima de refrigeración y/o calefacción para todo el conjunto de recintos que se hayan descrito. De este modo, se permite un mayor ajuste en la selección del equipo. Los cálculos deben tener en cuenta la conducción de calor, la radiación solar, aportaciones internas de la ventilación. En programas informáticos es fácil evaluar el peor día del verano y del invierno, y dentro de estos la distribución de la carga térmica por horas solares, indicando la carga total, el calor sensible, el latente y la de ventilación, tal como se observa en la Figura 28.2.


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Figura 28.2. Ejemplo de la hoja de resultados de las cargas térmicas de un local realizado con un programa informático.

Demanda energética La demanda energética es la energía necesaria para mantener en el interior del edificio unas condiciones de confort definidas reglamentariamente en función del uso del edificio y de la zona climática en la que se ubique. Se compone de la demanda energética de calefacción, correspondiente a los meses de la temporada de calefacción, y de refrigeración también en los respectivos meses. De acuerdo con la actual legislación, existe una limitación de la demanda energética de un edificio. Este explicita que estos dispondrán de una envolvente de características tales que limite adecuadamente la demanda energética necesaria para alcanzar el bienestar térmico en función del clima de la localidad, del uso del edificio y del régimen de verano y de invierno. Así se tienen en cuenta las características de aislamiento e inercia, permeabilidad al aire y

exposición a la radiación solar, reduciendo el riesgo de aparición de humedades de condensación superficiales e intersticiales que puedan perjudicar sus características, y tratando adecuadamente los puentes térmicos para limitar las pérdidas o ganancias de calor y evitar problemas higrotérmicos. Se entiende por envolvente térmica del edificio al conjunto de todos los elementos o cerramientos que limitan espacios habitables con el ambiente exterior (aire o terreno u otro edificio) y por todas las particiones interiores que limitan los espacios habitables con los espacios no habitables que a su vez estén en contacto con el ambiente exterior. El cálculo de la demanda energética aplicando la actual normativa es más complejo, si cabe, que la del cálculo de la carga térmica. Al indicar un límite de demanda energética el cálculo se realiza

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por un procedimiento de verificación. Este puede servir para ratificar que realmente se verifica, aunque lo habitual es realizar distintas pruebas para optimizar el comportamiento del edificio. En este caso se puede optimizar no solo desde el punto de vista energético cambiando las características de distintos elementos, sino también de su coste. La comprobación puede realizarse siguiendo: • La opción simplificada. Esta se basa en el control indirecto de la demanda energética de los edificios mediante la limitación de los parámetros característicos de los cerramientos y particiones interiores que componen su envolvente térmica. La comprobación se realiza a través de la comparación de los valores obtenidos en el cálculo con los valores límite permitidos y tabulados por la norma. Esta opción podrá aplicarse a obras de edificación de nueva construcción y a obras de rehabilitación de edificios existentes. • La opción general, basada en la evaluación de la demanda energética de los edificios mediante la comparación de esta con la correspondiente a un edificio de referencia. Esta se formaliza a través de un programa informático oficial o de referencia que realiza de manera automática los cálculos, previa entrada de los datos necesarios. Hay que definir totalmente el edificio, elemento por elemento, la envolvente, cerramientos, particiones, aberturas, sombras… • La versión oficial de este programa se denomina Limitación de la Demanda Energética, LIDER, y tiene la consideración de Documento Reconocido del CTE, estando disponible al público para su libre utilización. La opción simplificada tiene por objeto limitar: • La demanda energética de los edificios, de una manera indirecta, mediante el establecimiento de determinados valores límite de los parámetros de transmitancia térmica U y del factor solar modificado F de los componentes de la envolvente térmica. • La presencia de condensaciones en la superficie y en el interior de los cerramientos. • Las infiltraciones de aire en los huecos y lucernarios.

• La transmisión de calor entre las unidades de uso calefactadas y las zonas comunes no calefactadas de los edificios de viviendas. Mientras que la opción general limita: • La demanda energética de los edificios de una manera directa, evaluando la demanda mediante el método de cálculo con un programa informático. La evaluación se realizará considerando el edificio en dos situaciones: — Como edificio objeto, es decir, el edificio tal cual ha sido proyectado en geometría (forma y tamaño), construcción y operación. — Como edificio de referencia, que no es más que el mismo edificio pero con unas calidades constructivas de los componentes de fachada, suelo y cubierta por un lado y unos elementos de sombra por otra, que garantizan el cumplimiento de las exigencias de demanda energética establecidas en la normativa. • •

La presencia de condensaciones en la envolvente térmica. Las infiltraciones de aire.

Respecto a los cerramientos y particiones interiores de la envolvente térmica debe prestarse especial cuidado en la ejecución de los puentes térmicos integrados en los cerramientos. Respecto a las condensaciones se interpondrá una barrera de vapor, colocada en la cara caliente. También se comprobará que la fijación de los cercos de las carpinterías que forman los huecos (puertas y ventanas) y lucernarios, se realiza de tal manera que quede garantizada la estanqueidad a la permeabilidad del aire especificada según la zonificación climática que corresponda. Para evaluar la demanda energética se utilizan los conceptos de transmitancia térmica y factor solar: •

Factor solar g: se define como la relación entre la energía total que entra en el local a través de dicho acristalamiento y la energía solar incidente. Esta energía total es la suma de la energía solar que entra por transmisión directa y la energía cedida por


•

el acristalamiento al espacio interior, tras su calentamiento por absorción energética. Coeficiente U o transmitancia térmica: expresa la transferencia térmica a través de una pared por conducción, convección y radiación. Este coeficiente representa el flujo de calor que atraviesa 1 m2 de pared para una diferencia de temperatura de 1 ºC entre la cara interior y exterior. Cuanto más bajo sea el coeficiente U más difícil será transmitir el flujo de calor entre el interior y el exterior, por tanto más capacidad aislante tendrá.

La transmitancia térmica U (W/m2·ºK), también conocida por coeficiente integral de transmisión de calor, viene dada por la siguiente expresión: U = 1/RT Siendo RT la resistencia térmica total del componente constructivo, en m2·ºK/W. La resistencia térmica total RT de un componente constituido por capas térmicamente homogéneas debe calcularse mediante la expresión: RT = Rsi + R1 + R2 + ... + Rn + Rse Siendo Rsi y Rse las resistencias térmicas superficiales correspondientes al aire interior y el exterior respectivamente, y R1, R2... Rn las resistencias térmicas de cada capa térmicamente homogénea, que viene definida por la expresión:

que hay una tabla para cada una de las doce zonas climáticas definidas anteriormente. Además en la normativa, para evitar descompensaciones entre la calidad térmica de diferentes espacios interiores de un edificio (cada uno de los cerramientos y particiones interiores de la envolvente térmica), también limita una transmitancia mediante los valores tabulados en otra tabla (tabla 2.1 de la normativa) en función de la zona climática en la que se ubique el edificio. En cualquier caso en los edificios de viviendas, las particiones interiores que limitan las unidades de uso con sistema de calefacción previsto en el proyecto, con las zonas comunes del edificio no calefactadas, tendrán cada una de ellas una transmitancia no superior a 1,2 W/ m2·ºK. Estas condiciones o limitaciones redundan en un aislamiento, mínimo, para garantizar que no hayan excesivas pérdidas hacia el exterior, ni entre las diferentes particiones interiores del edificio. En esta línea la normativa clasifica los espacios interiores de los edificios en espacios habitables y espacios no habitables, y a efectos de cálculo de la demanda energética, los espacios habitables se clasifican en función de la cantidad de calor disipada en su interior, debido a la actividad realizada y al periodo de utilización de cada espacio, en las siguientes categorías: •

R = e/λ Donde e es el espesor de la capa en m, que en caso de una capa de espesor variable se considerará el espesor medio, y λ la conductividad térmica (W·m/m2·ºK) de diseño del material que compone la capa. A efectos de evaluar, caracterizar y cuantificar la demanda energética, la normativa limita la transmitancia y el factor solar de la demanda energética de los edificios en función de la zonificación climática donde se sitúa el edificio y de los distintos elementos, fachada, cubierta, suelo, lucernarios, etc. Los valores límites, están establecidos en un conjunto de tablas (tabla 2.2 de la normativa), en

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•

Espacios con carga interna baja: espacios en los que se disipa poco calor. Son los espacios destinados principalmente a residir en ellos, con carácter eventual o permanente. En esta categoría se incluyen todos los espacios de edificios de viviendas y aquellas zonas o espacios de edificios asimilables a estos en uso y dimensión, tales como habitaciones de hotel, habitaciones de hospitales y salas de estar, así como sus zonas de circulación vinculadas. Espacios con carga interna alta: espacios en los que se genera gran cantidad de calor por causa de su ocupación, iluminación o equipos existentes. Son aquellos espacios no incluidos en la definición de espacios con baja carga interna. El conjunto de estos espacios conforma la zona de alta carga interna del edificio.

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También a efectos de comprobación de la limitación de condensaciones en los cerramientos, los espacios habitables se caracterizan por el exceso de humedad interior. En ausencia de datos más precisos se establecen las siguientes categorías: •

•

Espacios de clase de higrometría 5: espacios en los que se prevea una gran producción de humedad, tales como lavanderías y piscinas. Espacios de clase de higrometría 4: espacios en los que se prevea una alta producción de humedad, tales como cocinas industriales, restaurantes, pabellones deportivos, duchas colectivas u otros de uso similar.

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Espacios de clase de higrometría 3 o inferior: espacios en los que no se prevea una alta producción de humedad. Se incluyen en esta categoría todos los espacios de edificios residenciales y el resto de los espacios no indicados anteriormente.

Para la verificación de la opción general se podrá utilizar el programa LIDER, pero también se admiten utilizar otros programas de ordenador alternativos basados en el método de cálculo y que sean Documentos Reconocidos del CTE.

Materiales de construcción. Aislantes

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LA CIENCIA DE MATERIALES ESTÁ GENERANDO MULTITUD DE MATERIALES QUE PUEDEN APLICARSE A LA CONSTRUCCIÓN: AISLANTES, VIDRIOS ESPECIALES, RECUBRIMIENTOS, RECICLADOS… Y SU MEZCLA Y FORMA EN OCASIONES RESULTAN DECISIVOS PARA SUS PROPIEDADES. • Se pueden realizar muchas clasificaciones de los materiales, una de las más utilizadas es: metales y sus aleaciones, polímeros orgánicos y cerámicos y vidrios. Desde el punto de vista constructivo es muy habitual distinguir entre los materiales estructurales y los de cerramiento. Desde la perspectiva de la sostenibilidad hay que introducir una nueva clasificación: materiales reciclados o no, y además, que en este caso puedan ser reciclables de una forma sostenible. • Actualmente se está utilizando mucho un nuevo tipo de material, el composite, o material compuesto, que es el resultado de la asociación de uno o varios materiales reforzantes (generalmente en forma de fibra) y un ligante o matriz. Las propiedades del conjunto exceden en mucho a cada uno de los elementos simples que lo conforman. De ahí que estos materiales sean cada día más utilizados y su número se incremente día a día en función de requerimientos específicos. Su parte negativa surge a la hora del reciclaje, debido a que es difícil separar y recuperar los diversos componentes o bien cómo se puede reciclar el conjunto. • La transmisión de calor se realiza según tres componentes: a) por conducción, el calor se propaga en la fase sólida, molécula a molécula a través de la transmisión de su estado de vibración; b) por convección, en los fluidos, en que el calor se transmite por el movimiento de las masas del fluido; y c) por radiación, todo cuerpo emite y recibe ondas electromagnéticas con su correspondiente energía en función de su temperatura, esta propagación se realiza incluso en el vacío. • Un material aislante es aquel que ofrece una gran resistencia al flujo calorífico a su través, por lo general es sólido, y habitualmente a su baja conductividad térmica se le une la existencia de una gran porosidad, normalmente cerrada, que impide la conductividad y la convección del aire confinado. En general a mayor densidad mayor conductividad. Los metales, debido a sus electrones libres, son buenos conductores eléctricos y también del calor, mientras que materiales cerámicos son aislantes, aislamiento que aumenta al disminuir su densidad. La conductividad térmica O de un material se mide en kcal·m/m2·h·°C o también en W·m/m2·ºC. En una pared la transmisión del calor se mide por la transmitancia térmica U o coeficiente integral o total de transmisión de calor k, que depende del espesor de la pared y de su conductividad térmica O. • Los materiales aislantes a grandes líneas se pueden dividir en tres grandes grupos: naturales, (vermiculita, diatomea, madera…), materiales artificiales inorgánicos (fibra de vidrio, lana de

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•

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roca, ladrillos aislantes…) y materiales artificiales orgánicos (plásticos, poliestireno, poliuretano...). Un material refractario es aquel que mantiene sus propiedades mecánicas a elevadas temperaturas, su aplicación es distinta a la de un aislante, aunque algunos refractarios son parcialmente aislantes. La termografía es el registro gráfico del calor emitido por una superficie de un objeto en forma de radiaciones infrarrojas. Las radiaciones que emiten los objetos aumentan con la temperatura, por lo tanto, al detectar las cámaras termográficas estas radiaciones infrarrojas permiten visualizar las diferencias de temperatura de los objetos y realizar posteriormente las pertinentes correcciones. En los edificios de nueva construcción y en la rehabilitación se está utilizando el poliestireno expandido (EPS), lana mineral, poliuretano y el poliestireno extruido, todos ellos excelentes aislantes. Se pueden conseguir importantes ahorros energéticos, con mejoras del 40 al 65%. Su aplicación se extiende a cubiertas, paredes y suelos, tanto por el lado interior como exterior, aunque siempre en segunda cara. Estos materiales son además importantes aislantes acústicos. La renovación de los vidrios y marcos en la rehabilitación es una de las acciones más eficaces para la mejora de la eficiencia energética del edificio, con un aumento del confort térmico de la vivienda. El doble acristalamiento con cámara estanca, conocido por unidad de vidrio aislante (UVA) y los diferentes tipos de marcos de ventana (metálicos con ruptura del puente térmico, PVC, madera) logran mejoras del 30 al 60% respecto a las clásicas ventanas con vidrio monolítico, que habitualmente constituyen el punto de más pérdidas energéticas de un edificio. Existen films, aplicables sobre la superficie de los cristales, que no dejan pasar las radiaciones ultravioleta e infrarrojos (calor) y en cambio sí dejan pasar mayoritariamente la radiación visible. Están en desarrollo los vidrios especiales inteligentes, que son capaces de cambiar sus propiedades según las condiciones exteriores o interiores del edificio, por ejemplo, no dejar pasar las radiaciones ultravioleta a ciertas horas del día. Estos vidrios cambian su color-opacidad bien en función de las condiciones externas a las que están expuestos, o bien aplicándoles un pequeño potencial eléctrico. No solo el material es importante para evaluar su efecto aislante, sino también el diseño de la forma en que esté distribuido. El hormigón como material no es especialmente aislante, pero los bloques de hormigón, en función de la forma de los huecos y su distribución pueden obtener importantes mejoras.

Introducción En el diseño de una vivienda hay que analizar el tipo de materiales que se van a utilizar. En nuestra sociedad industrial, los materiales de construcción por excelencia se pueden clasificar, de forma muy simplista, en tres categorías: •

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Materiales cerámicos: vidrio, cementos, cerámica propiamente dichos, piedras naturales, etc., que suelen emplearse, preferentemente, en exteriores. Materiales metálicos: empezando por los dos mayoritarios, el aluminio y el acero, y toda la serie de aleaciones que se emplean

•

en la construcción, bronce, cobre, etc. Materiales plásticos y polímeros, entre los que destaca la madera, que suelen usarse, con preferencia, en interiores.

Los materiales disponibles en ingeniería son diversos y se distinguen fundamentalmente por su composición química, estado (sólido, líquido y gaseoso), estructura (cristalina, amorfa), sus diferentes fases, impurezas y distribución de estos componentes. Desde la óptica de la naturaleza, otra clasificación sería:


•

•

Los materiales naturales. Es decir, los que se extraen de la naturaleza y se emplean con pocas modificaciones, como el granito, el mármol, etc. Los materiales artificiales. Aquellos obtenidos a partir de materias primas naturales pero son sometidos a un proceso, más o menos profundo, en el que se invierte energía y otras materias primas. Un ejemplo representativo puede ser el cemento o el acero.

Sería precipitado hablar de sostenibilidad y asociar el concepto a los denominados materiales naturales, sin antes analizar los parámetros ambientales, los energéticos o los propios recursos naturales. Desde el punto de vista constructivo, los materiales podrían clasificarse en: •

Materiales estructurales. Que deben poseer una resistencia mecánica para soportar las solicitaciones mecánicas de la vivienda. Por lo general estos materiales son densos.

•

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Materiales de cerramiento, ya sean para paramentos exteriores o para divisiones interiores.

También, dentro de los materiales y la sostenibilidad hay que tener presente la multitud de materiales reciclados que ya existen y afectan a campos tan diversos como: •

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• •

• • •

Edificación (aislantes térmicos, tejas (Figura 29.1), tableros de polietileno, de moqueta, etc.). Acústicos (pantallas acústicas, placas acústicas, absorbentes y cerramientos acústicos). Pavimentos. Mobiliario urbano (bancos, mesas, vallas, pasarelas, papeleras, plataformas de paradas de autobús). Jardinería (elementos de drenaje, rejillas, maceteros, jardineras). Interiorismo (zócalos, tapas de sanitario, revestimiento para baños). Señalización (señales de tráfico, pilones).

Figura 29.1. Material reciclado: Pizarra sintética que imita a la tradicional.

Composites Se llaman así a los materiales compuestos de dos o más elementos. Cada elemento confiere una característica especial y el conjunto permite la confección de una forma geométrica especial. En

términos más amplios, el composite es el resultado de la asociación de uno o varios materiales reforzantes (generalmente en forma de fibra) y un ligante o matriz. Es decir, las propiedades del conjunto

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Figura 29.2. Tipos de materiales.

exceden en mucho a cada uno de los elementos simples que lo conforman. De ahí que los materiales compuestos (composites) sean cada día más populares y su número se incremente día a día. La parte negativa de estos materiales compuestos surge a la hora del reciclaje. Es decir, de qué manera se separan y recuperan los diversos componentes, o bien cómo se recicla sin separar. La clasificación más usual de los materiales distingue los metales y sus aleaciones, los polímeros orgánicos y las cerámicas y vidrios. Estos tres se consideran materiales “puros”. Dentro de la ciencia de los materiales, la cerámica ha ido adquiriendo mayor importancia día a día hasta convertirse en uno de estos tres componentes básicos que en la actualidad reconoce la comunidad internacional. Las diferencias en las características de cada grupo tienen su origen en características básicas que hay en el enlace entre átomos y grupos de átomos. La Figura 29.2 intenta señalar los “materiales puros” y sus posibles combinaciones que, a grandes rasgos, se podría decir que son los materiales compuestos.

METALES Y ALEACIONES Los metales (acero, cobre, aluminio, etc.) se basan en una red cristalina regular de un elemento metálico, en la cual pueden mezclarse cantidades variables de uno o más metales diferentes u

otros compuestos (aleaciones: bronce, latón, etc.). El enlace metálico se caracteriza por no fijar los electrones a ningún átomo en concreto, de donde se deriva su buena conductividad eléctrica y térmica. Las propiedades más destacadas de estos materiales son: densidad relativamente elevada, resistencia mecánica alta, rigidez elevada, buena ductilidad y estabilidad química de media a baja (esta aseveración ha de entenderse en términos generales, puesto que el oro, el platino, el cobalto, etc., presentan una elevadísima estabilidad química frente a agentes agresores). En el campo del reciclaje de residuos, la recuperación y rehúso de los materiales metálicos se viene haciendo desde tiempo inmemorial.

LOS MATERIALES ORGÁNICOS Los polímeros se basan en macromoléculas orgánicas resultado de la polimerización de uno o más monómeros. Desde el punto de vista de los materiales el polímero tiene limitadas aplicaciones prácticas e industriales, puesto que carece de resistencia mecánica y poca estabilidad química (como siempre, la excepción confirma la regla: ciertos “nylones” tienen una resistencia mecánica superior al acero y otros plásticos se han revelado muy resistentes químicamente). Por ello es preciso añadirle otros componentes. Así la mezcla de polímeros con aditivos recibe el nombre genérico de

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plásticos. Los aditivos pueden ser de diversa naturaleza: estabilizantes (para reducir el efecto de degradación que ejerce la radiación solar), plastificantes (como los ftalatos, en el caso del PVC blando, para poder ser conformado), colorantes, etc. Los enlaces que configuran las macromoléculas son de tipo covalente, lo que no facilita la conducción eléctrica ni térmica. Los materiales basados en polímeros incluyen los plásticos, los elastómeros y muchos de los componentes de los materiales compuestos (la mayoría de matrices y algunas fibras). Las propiedades generales más destacadas son: densidad baja, resistencia mecánica baja, rigidez baja o muy baja, buena ductilidad (salvo los termoestables y elastómeros), conductividad eléctrica y térmica muy bajas (salvo excepciones) y estabilidad química elevada. La aplicación al terreno del reciclaje de residuos es muy amplia comenzando por los papeles y la madera. La mayor parte de los plásticos son reciclables. Los poliéster reforzados con fibra de vidrio (matriz orgánica con fibra de vidrio) o el polietileno reforzado con acero constituyen algunos ejemplos.

CERÁMICAS, CEMENTOS Y VIDRIOS En términos muy elementales se podría definir una cerámica como aquel material que se forma gracias a una serie de reacciones que desencadenan las fases amorfas, líquidas a alta temperatura, y unas pocas que tienen lugar en estado sólido. En un vidrio, la totalidad de las reacciones tienen lugar a partir de fases amorfas, pero en el clínquer la totalidad de las reacciones se desarrollan en estado sólido y a partir de materiales cristalinos.

Las reacciones en estado sólido presentan una cinética muy lenta y ello ha de compensarse con un aumento de la temperatura. Así mientras una cerámica convencional se consigue a temperatura próxima a los 1.000 ºC, un horno de clínquer sobrepasa los 1.300 ºC. En muchas especies cerámicas las fases cristalinas se mantienen unidas por la fase amorfa, de este modo se podría considerar el vidrio como un cemento a alta temperatura; sin embargo, hay una amplia clase de cementos cuya mezcla puede modelarse a baja temperatura y donde el agua propiciaría el enlace produciéndose una nueva fase en toda la masa. Este es el campo de los cementos y yesos comunes. Por lo general es muy importante regular la cantidad de agua, cuyo exceso podría debilitar su estructura. Las cerámicas se basan en compuestos químicos de composición no fija, formados por óxidos metálicos y no metales. Tienen una gran variedad de composiciones químicas que se reflejan en una gran diversidad de estructuras cristalinas. Las propiedades más destacadas son: densidad relativamente baja, resistencia mecánica moderadamente elevada, rigidez muy elevada, gran fragilidad, conductividad eléctrica y térmica bajas y estabilidad química muy elevada. En la Tabla 29.1 puede observarse la comparativa general entre los tres grandes grupos de materiales. En construcción se emplean materiales pertenecientes a los tres grupos. En el campo del reciclaje, tanto la cerámica como el vidrio son, por sí solos, perfectamente reciclables. Las combinaciones entre ellos son infinitas: el hormigón armado (matriz cerámica) y acero permiten un perfecto reciclado.

Tabla 29.1. Comparativa entre los grupos de materiales. Propiedad Densidad Resistencia mecánica Rigidez Ductilidad Conductividad (eléctrica y térmica) Estabilidad química

Metales

Polímeros

Cerámicas

1,75 – 9,00 Mg/m3

0,85 – 2,20 Mg/m3

2,20 – 5,60 Mg/m3

50 – 2500 MPa

1 – 100 MPa

50 – 850 MPa

40 – 240 GPa

0,001 – 10 GPa

60 – 460 GPa

Buena

Buena

Fragilidad

Elevada

Muy baja

Baja

Media o baja

Elevada

Muy elevada

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Los materiales y su comportamiento frente al calor El calor se manifiesta como una transferencia de energía entre materiales como consecuencia de una diferencia de temperaturas. Si no existiera ningún impedimento a este flujo al cabo de un cierto tiempo los materiales igualarían su temperatura y cesaría así el flujo de energía. El aislamiento térmico en la construcción persigue dificultar esta transferencia de energía entre el exterior y el interior de un habitáculo. De esta forma se pretende independizar en lo posible la temperatura interior de la exterior. La transmisión de calor se desglosa, a efectos de análisis, en tres componentes: •

•

•

Conducción: es el método de transmisión de calor por excelencia sobre un soporte sólido. El calor se manifiesta como energía de rotación y vibración de las moléculas. Esta excitación se propaga molécula a molécula a través de la fase sólida. Convección: a diferencia de los sólidos, en los fluidos las moléculas no están fuertemente unidas entre sí. La excitación se traduce en un incremento de la cantidad de movimiento de las mismas. Radiación: toda materia a temperatura diferente al cero absoluto emite y absorbe energía en forma de ondas electromagnéticas. Es el único mecanismo que permite propagar la energía a través del vacío.

Los materiales aislantes son generalmente sólidos. Ello podría inducir a pensar que la conducción es el único mecanismo por el que se transmite el calor a través de ellos. Debido a la naturaleza de los materiales ello no es exactamente así, sino que también actúan los otros dos mecanismos. Por el interior de los sólidos el calor se transmite esencialmente por conducción (O’). Así en teoría, y suponiendo que un cuerpo no contuviese ningún tipo de poro en su interior, la conductividad de un sólido solo dependería de la naturaleza intrínseca de la materia que constituyera dicho sólido (por ejemplo, un sólido de cobre transmite el calor mucho mejor que uno, equivalente en geometría y condiciones de contorno, de vidrio). La realidad es

distinta y todos los materiales en mayor o menor medida son porosos y además contienen grietas. La porosidad cerrada es la causa de un aumento en la capacidad de aislamiento térmico de los materiales. Así pues habrá que estudiar la influencia de la cantidad, calidad y distribución de la porosidad en el comportamiento térmico de un material. Los poros se hallan llenos de gas, luego cuando la pared del poro se calienta también lo hace el gas ocluido y se engendra una convección (O’’) natural en el interior del poro que transmite el calor al otro extremo de la pared del poro. Paralelamente la radiación térmica calienta la cara opuesta del poro debiéndose considerar un coeficiente de transmisión de calor por radiación (O’’’). La conductividad térmica de un sólido es la suma de los tres factores indicados ya que, en realidad, el calor se transmite simultáneamente por conducción, convección y radiación. Como indica la Figura 29.3, el calor se transmite por conducción (O’), pero cuando llega al borde del poro el flujo se interrumpe. Ahora debe calentar un gas ocluido en el poro. Cuando este se caliente comenzará una convección natural (O’’) que transferirá el calor hasta el otro extremo del poro. Esta modalidad es menos eficaz que la anterior forma de transmisión de calor. De hecho, a temperatura ambiente, cuanto mayor sea el diámetro del poro, tanto peor será la transmisión de calor, o lo que es lo mismo, tanto más aislante será. Paralelamente la pared caliente del poro envía por radiación (O’’’) el calor a la parte opuesta. Esta transmisión es muy rápida pero de muy baja intensidad a baja temperatura. Como es lógico, para la confección de un material aislante a baja temperatura, se elegirá: • •

Un material poco conductor, como puede ser cualquier material cerámico. La máxima formación de porosidad en su interior y, además, de gran diámetro.

Es evidente que para el caso de materiales conductores, metales, la conductividad O’ por conducción será mucho más elevada en comparación a las otras dos (entre otras razones por tratarse de materiales densos y compactos con poca porosidad).

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Figura 29.3. Transmisión de calor a través de un material.

DENSIDAD Y CONDUCTIVIDAD TÉRMICA La ausencia de porosidad supone un incremento de densidad y, casi siempre, de conductividad térmica. En el mundo de los materiales de construcción, en particular los cerámicos y hormigones, hay una tendencia a identificar la calidad con la resistencia mecánica. Esta propiedad será imprescindible allí donde se deba absorber una solicitación estructural y ello va ligado a un material denso. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el cerramiento no ha de soportar otra carga que su peso propio y, en este caso, no tiene sentido que el material sea resistente mecánicamente, lo que implica una alta densidad y peso, sino aislante para mejorar la calidad de vida y reducir el peso muerto de la edificación. Ello permite aligerar la estructura portante del edificio.

Como corolario se puede enunciar que la resistencia mecánica y la capacidad de aislamiento térmico son propiedades físicas contrapuestas. Es difícil señalar dónde está la frontera entre materiales ligeros y densos. Una buena pauta es utilizar el valor 1 kg/dm3 como elemento diferenciador. Si la densidad es inferior a este valor el material será aislante o bien denso si supera esta cifra. Una mayor densidad supone una reducción de la porosidad y ello conlleva una mayor conductividad térmica. La principal propiedad que se requiere a un buen aislante es la homogeneidad, que se traduce en una baja conductividad térmica. La conductividad es una propiedad característica de cada material, su valor depende de la temperatura de servicio, densidad, porosidad (cantidad de poros y tamaño de los mismos), contenido de humedad, etc. La Tabla 29.2 muestra diversos valores de la

Tabla 29.2. Conductividad térmica y densidad de algunos materiales Material

ºC

λ (Kcal×m/m2×h×ºC)

d (kg/m3)

Cobre

0

331

8.938

Acero Inox 18/8

0

12,8

7.816

Ladrillo común

20

1,12

2.050

Ladrillo refractario Al2O3

800

1,17

2.322

Ladrillo de diatomeas

200

0,26

800

Hormigón Pórtland

20

1,2

2.300

Vidrio común

20

0,65

2.700

Fibra de vidrio

38

0,04

200

Nota: los valores de la conductividad están expresados en kcal×m/m2×h×ºC (para pasar a unidades internacionales W/m×ºC, hay que multiplicar por 1,16).

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conductividad en función de la temperatura y su densidad aparente. Como muestra la tabla precedente el ladrillo común tiene una conductividad térmica elevada, de hecho se le debería considerar como un conductor del calor. Sin embargo, cuando se le introduce una sustancia orgánica que desaparecerá con la temperatura de cocción, lo que genera una porosidad a partir de la destrucción de la materia orgánica, que lo convierte en un material aislante. La Figura 29.4 reproduce la estructura típica de los poros de un aislante.

Figura 29.4. Poros de un material aislante térmico.

Concepto de aislamiento térmico. Aislantes Se dice que una pared, o pared compuesta, se comporta como aislante térmico cuando dificulta el paso de calor a su través o bien cuando las pérdidas de calor son mínimas. Los resultados de los cálculos se refieren siempre al régimen estacionario de transmisión de calor, es decir, cuando la distribución de temperaturas en el interior de las distintas capas se ha estabilizado, y por tanto deja de variar con el tiempo.

y en el DB-HE, en muchos tratados se denomina coeficiente integral o total de transmisión de calor y se utiliza la letra k para su denominación. Este depende del espesor de cada capa (e, en m) y de su conductividad térmica O (en kcal·m/m2·h·°C o también en W·m/m2·ºC, donde los ºC pueden trancribirse en ºK ), de acuerdo con la expresión: k=

1 __________________ 1/D1 + 6 ei/Oi + 1/D2

Figura 29.5. Gradiente térmico en una pared compuesta.

En el ejemplo de la Figura 29.5, los datos de la pared compuesta son los que se especifican en la Tabla 29.3. La transmitancia térmica U que se ha introducido en el capítulo anterior y se utiliza en el CTE

Los cocientes 1/D1 y 1/D2 son respectivamente Rsi y Rse, resistencias térmicas superficiales correspondientes al aire interior y exterior, respectivamente, según se indico en el Capítulo 28. Directamente los términos D1 y D2 dependen de las características convectivas del aire (o en un caso más general del fluido, en especial de su temperatura y movimiento) que circunda las paredes interior y exterior, y de sus características de radiación (que a su vez depende de la temperatura de la superficie y la del aire). Por esta razón su cálculo preciso es complejo, y en muchas ocasiones se utiliza un valor tabulado según las características de la superficie y del fluido, en este caso aire.

Tabla 29.3. Características de las capas de una pared. λ (kcal·m/m2·hº·C) 0,8

d (kg/m3) 900

1ª Capa

Enlucido

e (m) 0,01

2ª Capa

Bloque perforado

0,20

1,3

1.200

3ª Capa

Aislante

0,10

0,2

600

4ª Capa

Ladrillo macizo

0,14

5,2

1.800

Material

Total

0,45


Sin contar con estos dos términos, las pérdidas de calor a través de una pared se calculan una vez conocidas la superficie (S en m2) de pared expuesta al flujo térmico, el salto térmico ('t en °C) y el coeficiente global de transmisión del calor k. Así, siguiendo con el ejemplo anterior, para un salto térmico de 22 °C dichas pérdidas serán, para una superficie S unitaria:

•

Q = k · S · 't = 1,15 · 1 · 22 = 25,3 kcal/m2·h El ejemplo muestra que una vivienda fabricada con una pared compuesta que suponga un coeficiente global de transmisión de calor k de 1,15 Kcal/h·m2·ºK puede dar lugar, en climas rigurosos, a elevadas pérdidas de calor. El ahorro de energía y la prevención de corrientes de aire, humedades en las paredes o mohos en metales se consiguen, en gran medida, con un adecuado aislamiento del hogar. Según los expertos, el mejor modo para retener el calor en el interior de la casa en invierno y de mantenerlo fuera en verano es reforzando los puntos estratégicos por los que el aire y el calor se dispersan: paredes, techo y suelo. El mercado dispone para ello de diversos materiales aislantes cuya oferta ha evolucionado mucho en los últimos veinte años, pasando del amianto a otros más ecológicos y con mayores propiedades que incluso protegen la vivienda contra incendios y la aíslan de la contaminación acústica. El mercado ofrece diversos materiales aislantes que conviene conocer ya que la solución mejor para la vivienda puede ser una y no otra. La revolución que en los últimos años han experimentado los distintos aislantes ha contribuido a facilitar su utilización.

•

•

•

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acrílica resistente al agua. Es uno de los sistemas más novedosos y utilizados por su fácil adaptabilidad con el aislante utilizado en el interior de la casa y su eficacia en reducir filtraciones de aire. Ladrillos huecos. Para muchos profesionales, el mejor sistema de aislar la casa. Este material garantiza que el flujo frío o caliente tarde más en atravesar paredes densas y pesadas. A través de sus huecos se consigue su aislamiento y hacen que estos sean una superficie recomendable para proteger la vivienda del calor en verano y para retenerlo en el interior en invierno. Hormigón. Sus principales propiedades son la acumulación del calor y su absorción para luego liberarlo dentro de la vivienda. Para el uso en viviendas construidas con este material se precisan la adición de aislantes, como perlita y polietileno expandido. Lona plástica. Recomendable para proteger las paredes de la humedad, para su instalación se requiere de un profesional ya que se debe introducir dentro el material con el que se construyó la pared. Aislamiento de vertido. Es una de las mejores opciones para paredes acabadas por su fácil utilización. Este líquido se puede instalar soplándolo con un equipo neumático o vertiéndolo en los espacios entre las vigas del techo. Conviene evitar que el aislamiento llegue a las ventilaciones que generen calor, como luces halógenas, que se deben proteger para que no las alcance el vertido.

Techos Paredes

Antes de elegir los materiales aislantes se debe tener en cuenta la temperatura predominante del lugar donde esté ubicada la casa, su tamaño y los equipos de acondicionamiento que se utilicen como refrigeración, calefacción y humidificación, ya que se pueden ver perjudicados si elige el aislante incorrecto. •

Formas y materiales. Estuco sintético. Se trata de una pared compuesta por varias capas entre las que se incluye un tablón aislante reforzado con un tejido metálico de fibra de vidrio y la aplicación de una sustancia

Los últimos estudios sobre la pérdida de energía en el hogar revelan que el aislamiento del techo puede llegar a reducir un 35% los gastos en calefacción. Para asegurar que el calor no se escape por esta parte de la casa, hay que aislarlo con algún material indicado para tal fin y cuyo grosor supere los 50 mm. Se puede hacer, entre otras, de las siguientes maneras: •

En láminas o rollos. Pueden estar compuestos de fibra mineral, como lana de roca o fibra de vidrio. Ambos garantizan que con un solo producto se consiga aislamiento térmico, acústico y protección contra el fuego. Estas

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•

•


lanas constituyen una estructura muy ligera y son el aislante más utilizado en la UE, por los elevados niveles de protección que ofrecen y por ser productos naturales transformados mediante un proceso de fusión. Pinturas especiales. Se deben elegir pinturas que refracten la luz solar. Los componentes de estas pinturas desvían el calor hacia otro punto. Son especialmente convenientes para ambientes cálidos. Techos de césped. Una solución menos habitual es instalar sobre techos planos césped o planchas que mantengan fresco el techo, por lo que en primer lugar se precisará de un buen aislante contra la humedad. Recomendado para lugares cálidos.

Suelos o pisos

Esta es la parte de la casa, junto con el techo, por donde más fácilmente se escapa el calor. A pesar de ello la gran mayoría de las viviendas no tienen aislamiento bajo el piso. Antes de decantarse por un sistema, se debe valorar el más adecuado en función del diseño de la casa. Estas son algunas opciones: •

•

Aislamiento reflector. La instalación de este aislamiento es similar a la de colocar aislamiento en láminas o rollos. Algunos se venden en capas planas que se abren en forma de acordeón para formar los espacios de aire necesarios entre las superficies. Si está hecho con papel de aluminio, se debe evitar el contacto con cableado eléctrico, porque el aluminio reflector es conductor de electricidad. Láminas flexibles de fibra de vidrio. Recomendados para superficies que se encuentran sobre garajes o que están en cimientos elevados. Es de fácil utilización en áreas irregulares y en pisos sin acabado.

El 86% de las viviendas de las grandes ciudades dispone de calefacción, pero solo un 46% de la población sabe cómo conseguir un buen aislamiento térmico, en esta cifra influye mucho el componente geográfico. El lugar de residencia es un factor determinante a la hora de elegir el aislamiento adecuado para el hogar. “Así, en Santa Cruz de Tenerife se observa la mayor proporción de individuos que consideran que su vivienda dispone de suficiente aislamiento térmico (76%)”, mientras que

en Barcelona “se da la opinión opuesta, y prácticamente uno de cada dos individuos considera que es insuficiente (47,4%)”. “Básicamente en esta estadística el aislamiento se concentra en tres productos: las ventanas aislantes, sistemas de placas de yeso laminado y lanas aislantes, y muestra cómo una gran parte de los españoles prefiere utilizar materiales ligeros (placas de yeso laminado…) en las reformas de su hogar, frente a otros más tradicionales, como el ladrillo y el yeso.

MATERIALES AISLANTES RECICLABLES Los tableros compuestos por fibras de madera de abeto y picea son una opción económica para aislar la casa de ruidos, evitar la disipación de calor y proteger del frío. Son un material totalmente reciclable y pueden fijarse en paredes, suelos y techos. Estos tableros presentan una porosidad que les confiere una gran capacidad de aislamiento. tanto de aquellos que proceden del exterior, como de los que se producen en el interior de una vivienda.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES AISLANTES Para disminuir el flujo de calor, es decir, fabricar un aislante, se pueden seguir diversas estrategias de acuerdo con las leyes de la física: •

•

•

Reduciendo la convección exterior. Disminuyendo el grado de rugosidad de la superficie del aislante, con objeto de reducir las turbulencias. Una estrategia consiste en proteger el aislante con pintura o una capa metálica lisa. En la radiación. Empleando materiales (superficies) de baja emisividad. Usar un recubrimiento superficial reflectante, como vidrios especiales que vistos desde fuera perecen espejos. Incluyendo en la composición del aislante microplacas o micropartículas de alto poder reflectante. En la conducción. Se basa en conseguir muchos poros que contienen aire que, a su vez, es muy aislante (en algunos aislantes se introduce un gas con conductividad muy inferior al aire en sus poros). En aislantes muy ligeros el gas puede ocupar hasta el 95% del volumen. Evitando comprimir las


capas (así los hormigones aislantes proyectados no se suelen vibrar). Evitando la humedad y la entrada de agua en los poros. Cuando se fabrica un aislante a partir de residuos, el material fabricado ha de tener, obviamente, las mismas características que un aislante convencional, es decir: • •

•

•

•

•

Baja conductividad térmica. Reducida higroscopicidad. Si el material absorbe humedad los poros se llenan de agua y la conductividad aparente aumenta mucho. Adecuada resistencia estructural. Es obvio que los poros no tienen resistencia mecánica, por ello habrá que buscar un equilibrio entre el aislamiento (cantidad y número de poros) y la resistencia. Bajo coeficiente de dilatación. Una dilatación alta se traduce a la larga en una inestabilidad mecánica de la estructura. Resistencia al ataque de los compuestos químicos y también al ataque de roedores y microorganismos. Resistencia a la llama. Aislantes los hay de muchas categorías. Esta característica se refiere a los aislantes de alta temperatura. Para los de baja temperatura, generalmente de naturaleza orgánica, se requiere que los gases y vapores producto de la combustión no sean tóxicos.

MATERIALES AISLANTES. CLASIFICACIÓN Los materiales aislantes no son, en su inmensa mayoría, refractarios, y a grandes líneas se pueden dividir en tres grandes grupos: • • •

Materiales naturales, como la vermiculita, la diatomea o la madera. Materiales artificiales inorgánicos, como la fibra de vidrio o los ladrillos aislantes. Materiales artificiales orgánicos, como el plástico.

Todos ellos se distinguen porque el coeficiente de conductividad térmica es muy reducido, por lo general inferior a 1 kcal·m/m2·h·ºC (igual a 1,16 W·m/m2 ºC), el peso específico oscila entre 100 y 900 kg/m3 y una temperatura de servicio que, en función del material, varía entre menos de 100 ºC y 1.000 ºC.

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Materiales aislantes naturales

La más abundante es la harina fósil (trípoli) que son los esqueletos de diatomeas y otros microorganismos. La composición contiene SiO2 en cantidades que varían del 85 al 90%, el resto suele ser mineral de arcilla o cenizas volcánicas. En otros lugares a estas harinas se las denomina kiesselghur, tierras de radiolarios, etc. La densidad oscila de 450 a 1.000 kg/m3 y la temperatura de empleo máxima es de 900 ºC. La perlita es una roca volcánica vítrea que, sometida a calentamiento rápido hasta 1.000 ºC, sufre una gran expansión que puede multiplicar por diez su volumen por lo que la densidad aparente pasa de 2.300 a 100-500 kg/m3. La temperatura máxima de empleo está en 850 ºC. La vermiculita es un silicato exfoliado hidratado de aluminio y magnesio. Al ser calentado pierde el agua de constitución de forma irreversible y sufre una expansión entre 12 y 18 veces su volumen inicial. El peso específico obtenido oscila de 100 a 300 kg/m3 y la temperatura de empleo máxima es de 1.000 ºC. Si bien todos estos materiales se pueden emplear a granel, las pequeñas vibraciones compactan el material y acaban por perder sus propiedades, por lo que es aconsejable emplearlas como árido para la fabricación de hormigones ligeros. La harina fósil que por su cantidad de arcilla tiene plasticidad suficiente se puede extruir y permite fabricar ladrillos que se cuecen y se venden como aislantes de “segunda cara”, para la fabricación de paredes de hornos o, simplemente, como material aislante a intercalar entre la pared exterior y el acabado interior. Los polvos de minerales, como la dolomía, la magnesita o el cuarzo, finamente triturados, tienen un coeficiente de conductividad muy bajo y una refractariedad alta, por lo que pueden emplearse como aislantes de alta temperatura. Finalmente como material natural hay que citar el corcho que, con una densidad aparente entre 150 y 250 kg/m3, es un magnífico aislante para bajas temperaturas. '

En la actualidad se fabrican una infinidad de ladrillos aislantes, ya sea para “primera capa o fuego”, son los denominados refractarios aislantes, o simplemente aislantes o de “segunda cara”. Para

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su fabricación se parte de arcillas caoliníticas que se mezclan con un producto que en cocción desaparece y en su lugar genera una porosidad, por lo general abundante y de pequeño tamaño. Los sistemas para lograr la porosidad son: •

•

•

Incorporación a la masa de materiales combustibles, desde el carbón, el serrín, pasando por toda clase de residuos (un ejemplo de ello es el Ecobric, que emplea fangos de depuradora). Con este sistema es fácil calcular el tamaño del poro, sin embargo pueden producirse fisuras que reducen la resistencia mecánica. Incorporación de materiales sublimables, como la naftalina o los plásticos. Como la pirólisis del producto se realiza a baja temperatura, la distribución de tamaños de poro es fácilmente controlable. Introducción de gas. El sistema consiste en mezclar, junto a la arcilla refractaria, una masa capaz de adsorber una gran cantidad de aire. Durante la cocción el aire queda ocluido y genera gran porosidad. El sistema es caro y tan solo se emplea para refractarios de alta gama. Una variante del sistema consiste en introducir un producto químico que durante la cocción genere gases.

En este apartado es preciso comentar las fibras, también llamadas lanas minerales, usadas como aislantes de baja temperatura, que son: •

•

Fibra de vidrio. Material en forma de fibras, obtenido a partir de vidrio por centrifugación, soplado o estirado. Es muy homogéneo. El coeficiente de conductividad térmica es tan bajo como 0,02 kcal·m/ m2·h·ºC, lo que la convierte en uno de los mejores aislantes y extremadamente ligera ya que algunas variedades parten de 40 kg/ m3. Se expende en gran variedad de formas: mantas, paneles, planchas, fieltros, paneles forrados y a granel. La temperatura máxima de empleo está sobre los 400 ºC, siempre en segunda cara. Fibra mineral, también denominada lana de roca. La fabricación es idéntica a la anterior pero ahora la materia prima es basalto (o/y otros minerales), por lo que la temperatura de empleo, también en segunda cara

(es atacada por los ácidos), tiene un límite 700 ºC. La densidad es algo superior a la fibra de vidrio y la conductividad térmica semejante a ella. • La arcilla expandida, son esferas de arcilla que al contener un expansor, que pueden ser residuos, la temperatura de cocción los expande. La densidad es del orden de 600 a 900 kg/m3. Con ella se pueden hacer rellenos a granel o usarla como árido para hormigones semiligeros. • Silicato cálcico. Se trata de un aislante que puede trabajar hasta 1.050 ºC, con muy buena resistencia mecánica (13 kg/ cm2) y una densidad entre 180 a 280 kg/ m3. La conductividad térmica es del orden de 0,085 kcal·m/m2·h·ºC a 500 ºC y 0,15 kcal·m/m2·h·ºC a 900 ºC. Otro material que merece un apartado especial es el carbono y sus derivados. Las principales características de estos minerales son: • Es muy refractario. Se volatiliza, sin fundir, sobre los 3.800 ºC. • Es indiferente al choque térmico. • Mantiene sus prestaciones mecánicas, al menos hasta 2.500 ºC. • Es el más ligero de los materiales refractarios. • También es conductor eléctrico, de ahí que se emplee para la fabricación de electrodos. • Se puede usar como ladrillo o material sin conformar. En la naturaleza el carbono natural, o artificial, existe en tres variedades: diamante, grafito y las clases amorfas. Industrialmente la de mayor interés es el grafito. Como principal inconveniente hay que citar la oxidación, que comienza a 600 ºC para las variedades amorfas y 750 ºC para el grafito. Para la fabricación de los refractarios de carbono se emplean coques, antracitas calcinadas o grafitos naturales. En el proceso de fabricación, una vez triturado y conformado, cocerlo a 1.000 ºC en atmósfera reductora. '

En su mayor parte son materiales fabricados a base de plásticos que en su interior contienen un elemento expansor. Debido a su naturaleza tienen


un claro límite de empleo, alrededor de 130 ºC según el tipo y siempre en segunda cara. Los más usuales son: •

•

Poliestireno expandido (EPS). La densidad oscila entre 9 a 200 kg/m3 y la temperatura continuada de uso ha de ser inferior a los 80 ºC. Hay otros plásticos celulares que soportan mayores temperaturas. Espumas de resina de goma o caucho celular. Fabricada a partir de polvo de caucho en cuyo interior hay pequeñas cavidades o poros. El límite de utilización está en 60 ºC.

El aislamiento de poliuretano en la envolvente de muchos edificios y las particiones entre viviendas ofrece unas propiedades aislantes térmicas y acústicas que perduran en el tiempo, no requieren mantenimiento y, además, son rentables económicamente. El poliuretano rígido es un material aislante térmico de los más eficientes y duraderos. Su baja conductividad térmica conferida por su estructura celular cerrada y su innovadora tecnología de fabricación lo han puesto a la cabeza de los productos que colaboran en el ahorro de energía a través del aislamiento térmico. Es el material por excelencia en múltiples aplicaciones industriales y, sin duda, el producto más utilizado en el aislamiento de los edificios industriales y residenciales por su eficiencia energética. En el próximo apartado sobre “aislantes para rehabilitación” se comentan extensamente algunas de estas aplicaciones.

MATERIAL AISLANTE Y REFRACTARIO Como se ha indicado, se denomina material aislante a aquel que ofrece una gran resistencia al flujo calorífico a su través, mientras que un material refractario es aquel que mantiene sus propiedades mecánicas a elevadas temperaturas. Así pues, las misiones de uno y otro están bien delimitadas en lo concerniente a su aplicación, no así en lo que hace referencia a su poder de aislamiento térmico, ya que algunos refractarios son parcialmente aislantes. De hecho el valor del coeficiente de transmisión del calor k, definido anteriormente, cuantifica el comportamiento de un material y marca la frontera entre unos y otros. Sin embargo es difícil establecer el valor absoluto de

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k a partir del cual una pared es aislante o no, pues el hecho de cambiar la composición o invertir el orden de las capas que componen una pared modifica sustancialmente el valor de k. Cuando menor sea k más aislante será la pared. La inclusión de residuos para la fabricación de materiales con determinadas propiedades térmicas halla un buen campo de acción en la fabricación de materiales aislantes. Los materiales refractarios suelen tener una microestructura con muy poca fase vítrea y ello puede ser una barrera para el uso de determinados materiales residuales, no así para la confección de materiales acumuladores de calor que, por el valor de k, se asemejan más a los materiales refractarios. En términos de materiales de construcción convencionales no tiene mucho sentido hablar de refractariedad. Textualmente significa mantenimiento de propiedades mecánicas a elevada temperatura, más o menos a la temperatura a la que han ceramizado para el caso de los materiales cerámicos, o más de 1.000 oC en el caso de los hormigones, en función del diseño y aplicación. Es obvio que ningún material de construcción empleado en obra civil habrá de trabajar a tales temperaturas. De ahí que para los materiales de construcción, que siempre funcionan a temperatura ambiente, se deba sustituir la palabra refractario por la de acumulador de calor.

LA TERMOGRAFÍA Mejorar la eficiencia energética de los edificios ya construidos suele requerir un estudio bastante laborioso para determinar los aspectos a mejorar, puesto que a menudo no se dispone de detalles constructivos ni planos de instalaciones que permitan conocer con exactitud el edificio. Aunque hay muchos factores que determinan la eficiencia energética de los edificios, como el rendimiento de las instalaciones o la gestión que se realiza de ellas, uno de los más destacados es la composición de fachadas y cubiertas. El consumo en climatización depende en gran medida de las infiltraciones, los puentes térmicos o el estado del aislamiento; pero a menudo resultará difícil determinar si estos aspectos del edificio son correctos, puesto que puede ser necesario realizar catas u otros ensayos destructivos. Afortunadamente existe una tecnolo-

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gía que puede facilitar enormemente esta tarea, la termografía. La termografía es el registro gráfico del calor emitido por la superficie de un objeto en forma de radiaciones infrarrojas. Las radiaciones que emiten los objetos aumentan con la temperatura, por lo tanto al detectar estas radiaciones infrarrojas las cámaras termográficas permiten visualizar las diferencias de temperatura de los objetos. En el año 1800 Frederick William Herschel descubrió la existencia de la radiación infrarroja, pero la termografía en sí no tuvo un desarrollo importante hasta que se produjo la crisis energética de los años 70. La necesidad de reducir las pérdidas de calor vinculadas a los edificios y viviendas era una prioridad debido al alto coste de la energía necesaria para climatizarlos. Las posibilidades de esta tecnología para el sector de la edificación son muchas, permite analizar las condiciones de aislamiento de un edificio, localizar y evaluar puentes térmicos, humedades internas e infiltraciones de aire, calcular la transmisión térmica de un paramento e incluso analizar los sistemas de climatización. De todas maneras también se deben remarcar algunos inconvenientes de la termografía y es que las cámaras de calidad son muy caras, no siempre es fácil interpretar las imágenes y la precisión en la medida de las temperaturas no es tan alta como en los termómetros de contacto. Como muestra la Figura 29.6, el espectro visible por el ojo humano no es sensible a las radiaciones infrarrojas emitidas por los objetos. La cámara termográfica genera una imagen utilizando los colores que el ojo humano sí que puede reconocer, lo cual nos permite detectar las variaciones de temperatura de un paramento a partir de los colores de la imagen. En la foto de la Figura 29.7 se aprecia que las ventanas del edificio tienen un color entre verde y amarillo, mientras que el resto de la fachada es de

Figura 29.6. Espectro visible del ojo humano.

color azul. Si se comprueba la escala de colores se puede determinar que la pared de la fachada está a 3 o 4 ºC y las ventanas a 5 o 6 ºC. En invierno es habitual que la superficie de las ventanas esté a una temperatura superior a la de la fachada, puesto que el nivel de aislamiento es inferior y el calor del interior del edificio básicamente se escapa por el vidrio. En un primer plano se observa un árbol que evidentemente no desprende calor y, si se enfoca al fondo, se ve un edificio con una gama de colores bastante diferentes de los del edificio que está en primer plano. La superficie de este edificio está más caliente que la del primero, lo que probablemente signifique que el nivel de aislamiento del edificio es menor y deja escapar mayor cantidad de calor hacia el exterior.

Figura 29.7. Imagen termográfica de un conjunto de edificios.

Como conclusión el potencial de la termografía es muy grande, permite obtener gran cantidad de información en muy poco tiempo y sin hacer ensayos destructivos, lo que facilita enormemente el análisis de los edificios para mejorar su eficiencia energética. La contrapartida es que es una tecnología que resulta cara si se pretende utilizar aparatos fiables, aunque también cabe la posibilidad de alquilar el servicio para casos puntuales, evitando así el gran gasto inicial de la cámara termográfica.


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Aislantes para la rehabilitación Existen varios materiales que se están utilizando sistemáticamente en la rehabilitación por sus particulares características, especialmente de aislamiento. Entre ellos cabe destacar el poliestireno expandido (EPS), lana mineral, poliuretano y el poliestireno extruido. También en la rehabilitación se recurre mucho a la sustitución de los vidrios y cerramientos. Todos estos materiales tienen en común que su utilización da lugar a importantes ahorros energéticos en los edificios que se rehabilitan. Se debe destacar que muchos de estos materiales tienen mucha importancia en la obra de nueva edificación por sus especiales características, y muchas de las soluciones que se presentan en este apartado para la rehabilitación también se están realizando en obra nueva. Su utilización da respuesta a la pregunta, ¿cómo se puede ahorrar energía en un edificio? En los siguientes párrafos se dan algunas de sus posibles aplicaciones y un orden de magnitud del ahorro que se consigue.

SOLUCIONES CON AISLAMIENTO DE POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS) El poliestireno expandido (EPS) se define técnicamente como: “Material plástico celular y rígido fabricado a partir del moldeo de perlas preexpandidas de poliestireno expandible o uno de sus copolí-

meros, que presenta una estructura celular cerrada y rellena de aire”. El poliestireno expandido es un material plástico espumado utilizado en el sector de la construcción, principalmente como aislamiento térmico y acústico, en el campo del envase y embalaje para diferentes sectores de actividad, y en una serie de aplicaciones diversas. Los valores más habituales de la conductividad térmica λ pueden variar desde los 0,045 W·m/ m2·ºK, para una densidad aparente de 9 kg/m3, hasta los 0,031 para una densidad de 55 kg/m3. El EPS no tiene ninguna influencia medioambiental perjudicial, y no es peligroso para las aguas. Se puede adjuntar a los residuos domésticos o bien ser incinerado. Mantiene las dimensiones estables hasta los 85 ºC. No produce descomposición ni formación de gases nocivos. Las cualidades del poliestireno expandido, tanto en su amplia gama de prestaciones como los formatos en que se puede presentar, le convierten en material con amplias posibilidades de aplicación dentro del ámbito de la edificación. Las soluciones constructivas constituyen un aislamiento termoacústico de los diferentes cerramientos (Figura 29.8), así como un aligeramiento y conformado de diversas estructuras de la edificación, además de otras aplicaciones como moldes de encofrado y juntas de dilatación.

Figura 29.8. Utilización de poliestireno en fachadas de edificios (Guía Técnica para la Rehabilitación de la Envolvente Térmica de los Edificios. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio e IDAE).

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Las aplicaciones del EPS se dividen en tres grupos: fachadas, cubiertas y suelos. Las posibilidades de las aplicaciones del EPS son muy numerosas. Entre las de las fachadas se pueden destacar las de aislamiento intermedio o exterior. Entre las primeras se deben destacar las de doble hoja cerámica, trasdosado interior aislante, mientras que con aislamiento exterior deben considerarse las realizadas bajo revoco, fachada ventilada y muros enterrados. Respecto a las cubiertas se deben distinguir las cubiertas planas y las inclinadas. Entre las primeras, la plana convencional y la plana invertida. En las inclinadas, las de aislamiento sobre soporte horizontal o entre tabiquillos, y las de aislamiento sobre soporte inclinado. En términos generales, la reducción de la demanda energética de calefacción y refrigeración con las combinaciones de rehabilitación de fachada y cubierta supera el 40%. Considerando que las intervenciones de rehabilitación en la envolvente vienen motivadas por otras razones distintas al ahorro de energía (seguridad, mantenimiento, estética, etc.), el retorno de la inversión que supone el sobrecoste del aislamiento con el aislamiento con EPS se sitúa entre los tres y cuatro años, en función del sistema constructivo que se utilice.

LANA MINERAL Las lanas minerales o fibras, ya mencionadas como materiales aislantes artificiales inorgánicos, son productos aislantes constituidos por un entrelazado de filamentos de materiales pétreos que forman un fieltro que mantiene entre ellos aire en estado inmóvil. Esta estructura permite obtener productos muy ligeros que por su peculiar configuración ofrecen elevados niveles de protección frente al calor, el ruido y el fuego. Están reconocidas internacionalmente como aislantes acústicos, por su estructura flexible, y térmicos, por el entrelazado que mantiene el aire inmóvil, siendo además incombustibles, dado su origen inorgánico. Las materias primas de las lanas minerales son la arena silícea para la lana o fibra de vidrio, y la roca basáltica para la lana de roca o fibra mineral, que son transformados mediante el proceso de producción. El sector de las Lanas Minerales en la UE ha realizado, de acuerdo con los criterios y los procedimientos prescritos en las normas, los oportunos

estudios para comprobar la influencia en el medio ambiente de sus industrias y productos. En el caso concreto de las lanas minerales, se pone en evidencia que una vez considerados los impactos debidos a su uso como aislante, el impacto resultante en todos y cada uno de los indicadores es beneficioso para el medio ambiente, es decir, es un impacto negativo según el índice del ciclo de vida. Puede aplicarse a una rehabilitación de fachadas con aislamiento por el lado interior, mediante un trasdosado autoportante de placas de yeso laminado sobre perfiles metálicos y aislamiento de lana mineral (lana de vidrio o lana de roca). El sistema con un aislamiento por el interior es utilizado muy frecuentemente como sistema de mejora del aislamiento térmico y acústico de cerramientos verticales. Está formado por placas de yeso laminado fijadas sobre perfiles metálicos independientes del muro portante con relleno del espacio intermedio con lana mineral, sea de lana de vidrio o de roca. Este sistema presenta ventajas como: • • • •

• •

Permite corregir los defectos de planimetría, desplome, etc., del muro soporte. Se incrementa el aislamiento térmico del muro soporte. Se consigue un incremento del aislamiento acústico del muro soporte. Pueden efectuarse intervenciones “parciales” en una vivienda o solo en algunos locales. Es aplicable a cualquier tipo de fachada (incluso fachadas de ladrillo visto). Resuelve los puentes térmicos integrados en la fachada (pilares, contornos de huecos, etc.).

A su vez presenta algunas limitaciones, como el disminuir el espacio interior en unos 6 cm. El sistema de aislamiento por el interior mediante trasdosados sobre entramado metálico y relleno de lana mineral aislante de vidrio o roca, permite la práctica eliminación de los puentes térmicos superficiales integrados en la fachada; por el contrario, no resuelve los puentes térmicos lineales “de contorno” (frentes de forjado, intersección de muros de fábrica…). Se ha comprobado cómo esta solución si se aplica a un edificio de tres plantas, con un trasdosado de 45 mm, y con una conductividad para lana


de 0,036 W·m/m2·ºK, logra reducir la demanda energética del edifico entre un 35% y un 62% del valor inicial según la zona climática en donde esté situado el edificio. También puede aplicarse en la rehabilitación de fachadas mediante la aplicación de un sistema de fachada ventilada con lana mineral (lana de vidrio/ lana de roca), por la parte externa del muro, con una protección formada normalmente por una lámina ligera externa, separando ambos materiales por una cámara de aire. El sistema de aislamiento por el exterior es un medio novedoso y que se incorpora cada vez con mayor frecuencia como consecuencia de sus excelentes prestaciones de ahorro energético en los periodos cálidos del año. Está formado por un aislamiento generalmente rígido o semirrígido de lana mineral (lana de roca o lana de vidrio) fijado al muro soporte (fachada existente), y de una hoja de protección (formada por planchas, bandejas, “casettes”, etc.) separada del aislamiento, formando una cámara donde circula el aire por simple convección. La hoja de protección se fija al muro soporte mediante subestructuras diseñadas al efecto. Este sistema tiene múltiples ventajas, como: •

• • •

• • •

La aplicación por el exterior del aislamiento elimina los puentes térmicos (frentes de forjado, pilares, etc.). Posibilita la realización del trabajo de rehabilitación con usuarios en los edificios. Se incrementa el aislamiento térmico del muro soporte. Reduce el consumo energético del edificio en verano al reducir el factor solar del cerramiento. Se mejora el aislamiento acústico del sistema de cerramiento. Los materiales empleados son desmontables y reciclables/reutilizables. Es aplicable a cualquier tipo de fachada.

De nuevo con este tipo de solución con aislamiento exterior de 25 mm en fachada y también en cubierta de 25 mm en el mismo edificio de tres plantas del ejemplo anterior, la reducción de la demanda energética puede oscilar entre el 67% y 73% según la zona climática. Asimismo es muy utilizado en la rehabilitación de cubiertas, con aislamiento por el interior, que

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consiste en un revestimiento autoportante de placas de yeso laminado y aislamiento de lana mineral (lana de vidrio o lana de roca). Las placas de yeso laminado se fijan sobre maestras metálicas y estas suspendidas de la cubierta (forjado), situándose en la cavidad o cámara intermedia la lana mineral, sea esta de lana de vidrio o de roca. Las principales ventajas de este sistema son: •

• •

Al aplicarse por el interior, se evita el levantamiento de la cubrición exterior (tejas o pavimento), impermeabilización, etc. Montaje rápido, permitiendo la habitabilidad durante la ejecución de los trabajos. Aporta una mejora del aislamiento acústico a ruido aéreo del cerramiento y una reducción del ruido de impactos, dato a considerar en el caso de las cubiertas planas transitables.

En la rehabilitación de una cubierta del edificio del ejemplo anterior si se realiza el aislamiento suplementario de 50 mm de lana con una conductividad de 0,036 W·m/m2·ºK se logran valores del 92% al 95%, según zonas consideradas,

AISLAMIENTO CON POLIURETANO La espuma de poliuretano es uno de los productos aislantes más empleados en construcción. Las razones principales son su versatilidad y sus prestaciones. Se encuentra en forma de: • • •

Proyección in situ. Planchas conformadas. Paneles sándwich prefabricados.

Y destaca entre los aislantes térmicos por su: • Elevada capacidad aislante. • Durabilidad en el tiempo. Siempre debe controlarse que los productos utilizados para su proyección y/o conformado no sean nocivos, ni ataquen la capa de ozono. En el caso de los edificios de nueva construcción las opciones se multiplican, pero cuando llega el momento de rehabilitar un edificio térmicamente, las posibilidades se reducen y las características constructivas establecen los límites, pasando a un primer plano el análisis de viabilidad de las intervenciones. Las tipologías edifica-

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torias que más pueden aprovechar estas técnicas son aquellas: • Cuyo cerramiento en fachada tenga una gran superficie opaca, o dicho de otro modo, con poca superficie acristalada. • Cuyo cerramiento en cubierta sea accesible y con pocas heterogeneidades que permitan la intervención en buena parte de la superficie. La altura del edificio no es una limitación, no obstante, la intervención en cubierta tiene una mayor repercusión en edificios de menos de cuatro plantas. Concentrando las intervenciones en cubiertas y fachadas, y siempre en función de la tipología constructiva, nos encontramos con dos grandes grupos de intervenciones: • Las que se realizan desde el interior, que suelen producir molestias en los usuarios del edificio y en algún caso reducen el espacio útil... • Las que se realizan desde el exterior, que necesitan la utilización de medios auxiliares (como andamios) encareciendo la intervención. A continuación se recogen brevemente aspectos característicos de las diferentes soluciones constructivas de rehabilitación de fachadas y cubiertas con poliuretano: Fachadas o muros

• Aislamiento de fachadas por el exterior. Se realiza en muros de una hoja o con cámara de aire no accesible y con posibilidad de renovar estéticamente la fachada. Una vez colocado el aislamiento al muro soporte las diferencias técnicas y económicas de los sistemas se hallan en el tipo de revestimiento. En el caso de la fachada ventilada, una de las tecnologías más utilizadas por sus prestaciones es la proyección de espuma de poliuretano. En determinados casos los paneles sándwich “arquitectónicos” dan lugar a una fachada aislada por el exterior pero sin ventilar. • Aislamiento de fachadas por el interior. Se realiza en muros de una hoja o con cámara de aire no accesible y manteniendo la estética exterior de la fachada.

El factor determinante es la cantidad de espacio disponible, lo cual limita el espesor del aislamiento que se adopte. Normalmente el mejor resultado se consigue combinando aislamientos de baja conductividad térmica y poco espesor con trasdosados armados o directos a base de placas de yeso laminado como acabado interior. En el caso del aislamiento interior de la fachada se empleará normalmente espuma de poliuretano proyectada si hay desalojo de los ocupantes, o bien planchas de poliuretano conformado. • Relleno de cámaras de aire. Se realiza en muros de doble hoja con cámara de aire accesible (bien desde el interior o desde el exterior). Las técnicas de inyección de los diversos productos aislantes están muy desarrolladas y exigen diferentes controles durante su ejecución: — Revisión de las paredes (exterior e interior) por si existen grietas, defectos en las juntas o humedades que puedan reducir su resistencia durante la inyección del aislante. Exigen la detección de sus causas y su correcta reparación. — Comprobar la continuidad de la cámara y la existencia de un espesor mínimo de relleno. — Comprobar la existencia de cableados interiores a las cámaras. Cubiertas

Ante todo hay que señalar que las intervenciones en cubiertas son siempre más viables que las intervenciones en las fachadas, por la accesibilidad de las mismas, y porque dentro del mantenimiento del edificio, es más habitual que se realicen reparaciones en estas unidades de obra. Las técnicas constructivas de incorporación del aislamiento en cubiertas estarán habitualmente ligadas a la necesidad de reparar el sistema de impermeabilización. Se debe distinguir en cada caso este condicionante en el análisis de la solución constructiva. • Aislamiento de cubiertas inclinadas o tejados.


Depende de la necesidad de renovar total o parcialmente el revestimiento impermeable del tejado (teja, pizarra, etc.). La suma de una capa de producto aislante no disminuye la solicitación mecánica de la cubierta, sino que en la mayoría de los casos la mejora, como en la proyección de espuma rígida de poliuretano sobre ripias u otros soportes ligeros que, además, en el caso de estar deteriorados los rehabilita. Las técnicas de fijación del tejado marcarán el modo de fijación del producto aislante: adherido, proyectado, fijado mecánicamente o entre rastreles principalmente. Las planchas de poliuretano conformado y la espuma de poliuretano proyectada se adaptan a las diferentes posibilidades de acabado de estos tejados. Lo más habitual, si existe altura disponible, es la intervención por el interior. • Aislamiento de cubiertas planas o azoteas. Estas construcciones, por su tipo de impermeabilización, requieren de una intervención periódica para garantizar sus prestaciones de resistencia al paso del agua (las cuales se ven reducidas con el paso del tiempo). Es una buena ocasión para incorporar aislamiento o aumentar su nivel en estas cubiertas. Una vez retirado o reparado el sistema de protección de la impermeabilización, se puede dar la ejecución de diversas técnicas de aislamiento. En el caso de levantar la impermeabilización, se ejecutaría la instalación del aislamiento y por encima se colocaría la nueva impermeabilización. Las planchas de poliuretano conformadas, cubrirán el soporte de la cubierta y se revestirán con la impermeabilización y el acabado deseado. En el caso de la proyección de espuma de poliuretano cabe la posibilidad de proteger el aislamiento con otra proyección, en este caso con elastómero de alta densidad. En el caso de que se repare la cubierta completamente, incluyendo la estructura, puede valorarse una nueva construcción metálica que incluya los paneles sándwich como cerramiento.

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Las características de la espuma de poliuretano rígida pueden variar en densidades de 30 kg/m3 a 55, con espesor por encima de 30 mm en paredes y cubiertas. Una resistencia a la compresión que en función de la densidad varía entre valores de los 115 kPa a más de los 290 kPa para densidades entre los citados 30 a 55 kg/m3. El coeficiente de conductividad térmica es de 0,028 W·m/m2·ºK en un producto envejecido a 25 años. El poliuretano también se fabrica en planchas de poliuretano conformado, que constituyen planchas aislantes o los bloques de espuma, muy apreciados en el sector de la construcción, especialmente por sus excelentes características de aislamiento térmico y sus ventajosas propiedades mecánicas. Los revestimientos flexibles se fabrican generalmente con lámina de aluminio o película compuesta. A partir de la fabricación de bloques se pueden realizar multitud de formas y de bloques de poliuretano. Uno de los elementos de poliuretano más utilizado es el panel sándwich, en el que el poliuretano es inyectado. Este es un producto de construcción compuesto de una parte central de espuma rígida de poliuretano adherida a dos paramentos generalmente metálicos. A efectos de sus usos y propiedades es considerado un producto o elemento de construcción único. El poliuretano se forma a través de una reacción exotérmica en la que se adiciona poliol, isocianato, agente hinchante y aditivos, formando un producto que tiene una densidad entre 40 y 50 kg/m3. La inyección de estos componentes dentro de los paramentos permite una unión uniforme y duradera sin necesidad de adhesivos. Hay disponibilidad en el mercado de paneles con paramentos de acero, acero inoxidable, aluminio, cobre y madera. Estos paramentos se pueden elegir en acabados tipo poliéster, PVDF, PVC, plastisoles o galvanizados; en función de la agresividad humedad, temperatura y salinidad de la zona donde se instale el panel para garantizar la mayor durabilidad. Además, todos estos acabados están disponibles en una amplia gama de colores –clásicos o metalizados para adaptarse a los requisitos estéticos del cliente. La utilización de paneles sándwich de poliuretano en la construcción está muy extendida: naves industriales, aeropuertos, edificios de administración,

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casetas y casas prefabricadas, cubiertas, cámaras frigoríficas, todo tipo de edificio, para interiores y exteriores, etc. Las propiedades más relevantes de los paneles sándwich de poliuretano son: •

•

•

•

•

•

Gran capacidad aislante, teniendo un coeficiente de conductividad térmica inferior a 0,025 W·m/m2·ºK, siendo este duradero en el tiempo. Por diseño el poliuretano está protegido con una capa metálica que impide la degradación de la conductividad térmica en el tiempo. Baja densidad que oscila entre 9 y 20 kg/m3 (en función del espesor del núcleo aislante y de las chapas metálicas). Su bajo peso y su buen comportamiento a flexión lo hace idóneo como material de construcción en caso de que haya movimientos sísmicos. Capacidad autoportante: gracias al efecto sándwich son capaces de soportar su propia carga, permitiendo estructuras muy livianas. Comportamiento ante el fuego: el comportamiento del panel sándwich de poliuretano ante el fuego es bueno, al estar el material aislante protegido por acero. Estanqueidad: por sus paramentos metálicos y su sistema de fijación, las construcciones con paneles resultan estancas a la humedad y al aire. Además, la estructura de celda cerrada de la espuma rígida de poliuretano garantiza la estanqueidad del núcleo aislante. La chapa actúa como barrera de vapor evitando condensaciones intersticiales.

AISLAMIENTO DE POLIESTIRENO EXTRUIDO El XPS, espuma de poliestireno extruido, es un material aislante que, debido a sus excepcionales propiedades, es ampliamente utilizado en la industria de la construcción. Durante sus más de 50 años de historia ha puesto de manifiesto cotidianamente su alta resistencia a la compresión, su prácticamente nula absorción de agua, excelente comportamiento como aislante térmico y una excepcional durabilidad, manteniéndose inalterable con el paso del tiempo.

En la bibliografía pueden encontrarse múltiples aplicaciones, como: • •

•

•

•

Rehabilitación de tejado aislado bajo teja. Rehabilitación de fachada aislada por el exterior para revestir directamente sobre la plancha aislante. Rehabilitación de fachada, medianera o techo aislados por el interior para revestir con yeso in situ directamente sobre la plancha aislante. Rehabilitación de fachada, medianera o techo aislados por el interior para revestir con yeso laminado. Rehabilitación de suelo o pavimento doméstico.

En los siguientes párrafos se describen someramente dos soluciones técnicas, una para la rehabilitación de una azotea invertida y otra en fachada ventilada, en las que se incorporan planchas de aislamiento térmico de poliestireno extraído en edificios existentes. Con estas aplicaciones se observarán las mejoras que aportan la rehabilitación con placas de XPS. Rehabilitación de azotea invertida no transitable y azotea invertida transitable

Normalmente se tratará de soportes de hormigón (forjados de diversos tipos), sobre los que se sitúa una capa de pendientes que, a su vez, da soporte al sistema de azotea invertida con impermeabilización más aislamiento y finalizada con un acabado. En cualquiera de las disposiciones del aislamiento explicadas, tanto si van colocadas al exterior del soporte, como al interior, las planchas de XPS no deben quedar expuestas en la aplicación final de uso, es decir, en todos los casos deberán disponerse tras un acabado visto dado por otros productos (en la azotea, usualmente grava o baldosas). • Azotea invertida no transitable. — Las planchas aislantes de XPS se colocan directamente encima de la impermeabilización, sueltas, con total independencia, sin adherirlas (eventualmente, cuando haya riesgo de flotación por inundación

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de la cubierta, podrán fijarse por puntos situados en la zona central de las planchas). — Las planchas deben colocarse a tope entre ellas y con juntas al tresbolillo, contrapeando las filas sucesivas. — Dada la ligereza de las planchas de XPS se debe proceder inmediatamente, tras su colocación, al lastrado con la protección pesada de grava, en un espesor de unos 5 cm, para conseguir más de 80 kg/m2 de lastre. — Se recomienda el empleo de un geotextil entre protección pesada y planchas aislantes para evitar la formación de depósitos de carácter biológico sobre la membrana impermeabilizante. Las características de transmitancia térmica en función del espesor de la plancha de XPS en este tipo de azotea, acabada con lámina autoprotegida, están reflejadas en la Tabla 29.4. • Azotea invertida transitable. Se pueden seguir los pasos descritos en la solución no transitable. La diferencia será que en vez de verter grava como lastre se dispondrá un pavimento, formado o bien por baldosas hidráulicas apoyadas sobre separadores, a su vez apoyados sobre las planchas de XPS, o bien por una capa continua de embaldosado (baldosín) tomado con mortero.

Las prestaciones finales son parecidas a las de la azotea transitable. Rehabilitación de fachada ventilada

El poliestireno extruido (XPS) en planchas también se utiliza en obras de rehabilitación de fachadas y/o medianeras ventiladas. Casi cualquiera que sea el tipo de fábricas, ladrillo o bloques de diversos tipos, se pueden instalar las planchas de XPS, con el sistema de anclaje y cuelgue, que finalmente permitirá incorporar el acabado visto de la fachada. Tanto si las planchas van colocadas al exterior del soporte como al interior, no deben quedar expuestas en la aplicación final de uso, es decir, en todos los casos deberán disponerse tras un acabado visto dado por otros productos. La instalación de las planchas de XPS consiste en la fijación mecánica, sobre la superficie exterior del muro soporte existente, para, a continuación, instalar el acabado formado por algún tipo de aplacado fijado sobre una estructura soporte que, a su vez, se fija, a través de la capa de aislamiento, al muro soporte. Entre el aplacado y la capa de aislamiento térmico se forma una cámara de aire de unos 2 cm de espesor, normalmente muy ventilada. Las prestaciones finales conseguidas en la rehabilitación térmica en este caso, aunque en una cuantía pequeña, dependen también de la mayor o menor prestación térmica del cerramiento original, antes de ser rehabilitado. Para la fachada ventilada se detallan en la Tabla 29.5 cómo varían los va-

Tabla 29.4. Transmitancia térmica de la azotea invertida no transitable según el espesor de la placa de poliestireno expandido utilizada en la rehabilitación (Guía Técnica para la Rehabilitación de la Envolvente Térmica de los Edificios. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio e IDAE). Transmitancia térmica en W/m2·ºK para la azotea R del forjado en m2 ·ºK/W

Sin rehabilitar

3 cm

4 cm

5 cm

6 cm

8 cm

10 cm

0,23

1,467

0,650

0,548

0,474

0,417

0,337

0,289

0,30

1,27

0,622

0,528

0,406

0,406

0,329

0,283

Rehabilitación con XPS según el espesor indicado

Tabla 29.5. Transmitancia térmica de una fachada ventilada rehabilitada con XPS de diferentes espesores (Guía Técnica para la Rehabilitación de la Envolvente Térmica de los Edificios. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio e IDAE). Transmitancia térmica en W/m2 <@

Tipo de fábrica exterior

Sin rehabilitar

1/2 asta L.P. 1 asta L.P.

Rehabilitación con XPS según el espesor indicado 3 cm

4 cm

5 cm

6 cm

8 cm

10 cm

1,561

0,748

0,616

0,524

0,456

0,362

0,307

1,242

0,666

0,559

0,482

0,424

0,341

0,292

474


lores de U, transmitancia térmica, en función del espesor de la placa de XPS utilizado en la rehabilitación.

AISLAMIENTO EN LAS VENTANAS La renovación de los vidrios y marcos en las ventanas es una de las acciones más eficaces para la mejora de la eficiencia energética del edificio y además se aumenta el confort térmico de las viviendas. Todas aquellas viviendas que tengan ventanas con una única hoja de vidrio, sus prestaciones térmicas son muy limitadas, y la reposición del vidrio por un vidrio aislante (doble acristalamiento) proporciona grandes ahorros de energía en la vivienda, tanto en verano como en invierno. Las características de marco, a efecto del aislamiento, son también muy importantes, es por esto que en primer lugar se exponen las características del marco, luego las del vidrio de la ventana, y finalmente se conjugan estos dos elementos para valorar los resultados en el hueco de la ventana. Propiedades del marco

El marco representa habitualmente entre el 25% y el 35% de la superficie del hueco. Sus principales propiedades, desde el punto de vista del aislamiento térmico, son la transmitancia térmica y su absortividad. Estas dos propiedades van a participar en función de la fracción de superficie ocupada por el marco en la transmitancia total del hueco y el factor solar modificado del mismo. Los marcos pueden clasificarse siguiendo distintos criterios. Una clasificación puede realizarse en función del material con el que están fabricados y del que dependen algunas de sus prestaciones, entre ellas sus propiedades térmicas. Así encontramos:

Metálico con ruptura de puente térmico (RPT) La ruptura de puente térmico consiste en la incorporación de uno o varios elementos separadores de baja conductividad térmica que separan los componentes interiores y exteriores de la carpintería logrando reducir el paso de energía a su través, y mejorando el comportamiento térmico de la carpintería. Los valores de transmitancia térmica comúnmente aceptados para este tipo de carpinterías son de U= 4,0 W/m2·ºK hasta U= 3,20 W/m2·ºK, en función de la anchura de los elementos separadores que configuran la ruptura de puente térmico. Madera Se trata de perfiles macizos de madera que por su naturaleza alveolar proporcionan unos niveles importantes de aislamiento térmico. Su conductividad es baja, lo que favorece el aislamiento térmico. Sus principales limitaciones se encuentran en las operaciones de mantenimiento necesarias aunque hoy existen en el mercado productos tratados que minimizan estos condicionantes. Los valores de transmitancia dependen de la densidad de la madera utilizada, considerándose un intervalo de U = 2,2 W/m2·ºK hasta U= 2,0 W/m2·ºK. PVC Las carpinterías están formadas por perfiles normalmente huecos de PVC, ofreciendo un comportamiento térmico de primer orden. Los valores de transmitancia comúnmente aceptados son de U = 2,2 W/m2·ºK hasta U= 1,8 W/m2·ºK. Habitualmente son carpinterías cuya participación en el hueco es elevada, lo que unido a sus valores de aislamiento favorece el comportamiento del conjunto.

Metálico

Otras

Normalmente son fabricados en aluminio o acero con diferentes acabados. Lacados en diferentes colores, anodinados, foliados imitando madera, etc., con diferentes sistemas de cierre y apertura. Como valor comúnmente aceptado se considera una transmitancia térmica U = 5,7 W/m2··ºK. La influencia sobre el factor solar modificado del hueco es muy variable en función de los diferentes colores.

Existen otras tipologías de marcos con menor presencia en el mercado cuyas prestaciones térmicas son similares a las anteriores. Entre estas tipologías pueden citarse las ventanas mixtas madera-aluminio, mixtas aluminio-madera, poliuretano con núcleo metálico, metálicas con ruptura de puente térmico rellenas de espuma aislante, etc.


Propiedades del vidrio

El vidrio es el elemento fundamental en el cerramiento si atendemos a la superficie ocupada. Su principal propiedad es la transparencia, permitiendo elevados aportes de luz natural que contribuyen al confort de la vivienda, sin comprometer sus prestaciones de aislamiento térmico. En la actualidad se comercializan como productos habituales vidrios para aislamiento térmico reforzado y protección solar que pueden ser combinados con otras prestaciones, como son el aislamiento acústico, la seguridad, el bajo mantenimiento (autolimpiables) o el diseño y la decoración. Únicamente se considera el vidrio sodocálcico por ser el producto habitual en la edificación. Desde la perspectiva del aislamiento térmico las principales características del acristalamiento a tener en cuenta son su coeficiente U o transmitancia térmica y su factor solar g. Este fue definido en el apartado “Demanda energética” del Capítulo 28, como la relación entre la energía total que entra a través del acristalamiento y la energía solar incidente directa, tal como se indica en la Figura 29.9. Los vidrios pueden clasificarse en distintos grupos en función de su configuración y de la presencia

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de capas metálicas que mejoran sus prestaciones de aislamiento térmico y control solar. Bajo la denominación del llamado vidrio sencillo, monolítico, se agrupan aquellas tipologías formadas por una única hoja de vidrio y aquellas formadas por dos o más hojas unidas entre sí por toda su superficie, llamados vidrios laminares. Dentro del vidrio monolítico podemos encontrar vidrios incoloros, de color, impresos y de seguridad, así como distintos tratamientos que modifican las propiedades mecánicas, térmicas y espectrofotométricas de los mismos. Las prestaciones térmicas de un vidrio monolítico pueden considerarse estables para los vidrios incoloros habituales, en tanto que la transmitancia térmica y el factor solar se reducen muy poco al aumentar el espesor. Como valor de referencia se puede tomar un valor de 5,7 W/m2·ºK de transmitancia térmica y un valor en torno a 0,83 de factor solar (g). Bajo la denominación de unidad de vidrio aislante (UVA) se conoce como el doble acristalamiento o vidrio de cámara, y hace referencia al conjunto formado por dos o más laminas de vidrios monolíticos separados entre sí por uno o más espaciadores, herméticamente cerrados a lo largo de todo el perímetro. Las unidades de vidrio ais-

Figura 29.9. Factor solar g, como relación entre los flujos de calor trasmitido y reemitido y la energía solar incidencia.

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lante, o doble acristalamiento, al encerrar entre dos paneles de vidrio una cámara de aire, inmóvil y seco, aprovechando la baja conductividad térmica del aire, limitan el intercambio de calor por convección y conducción. La principal consecuencia es un fuerte aumento de su capacidad aislante reflejado en la drástica reducción de su transmitancia térmica. El aumento progresivo del espesor de la cámara proporciona una paulatina reducción de la transmitancia térmica. Esta reducción deja de ser efectiva cuando se producen fenómenos de convección dentro de la misma, estos ocurren en torno a los 17 mm. La nomenclatura utilizada se compone de tres números seguidos separados entre sí por un guión, por ejemplo 4-6-4, que indican los espesores vidrio-cámara-vidrio expresados en milímetros, comenzando por el vidrio exterior. La trasmitancia de algunos de estos UVA está detallada en la Tabla 29.6 en función de la composición del conjunto. Tabla 29.6. Transmitancia de distintas unidades de vidrio ensamblados en UVA según su composición. Vidrio ensamblado en UVA

:

Transmitancia en W/m2·ºK

4-6-4

3,3

4-8-4

3,1

4-10-4

3

4-12-4

2,9

Respecto a la prestación de control solar las UVA presentan menores factores solares por el simple hecho de incorporar dos vidrios, para una UVA de 4-6-4 el valor g está alrededor del 0,75. El factor solar (g) puede ser fuertemente modificado por la sustitución del vidrio exterior por un vidrio de control solar. Igualmente los vidrios de baja emisividad aportan un control solar significativo. Otro tipo de vidrios lo constituyen los vidrios de baja emisividad, estos son vidrios monolíticos sobre los que se ha depositado una capa de óxidos metálicos extremadamente fina, del orden de nanómetros, proporcionando al vidrio una capacidad de aislamiento térmico reforzado. Normalmente estos vidrios deben ir ensamblados en UVA (doble acristalamiento), ofreciendo así sus máximas prestaciones de aislamiento térmico. La transmitancia resultante de estos UVA con vidrio de baja emisividad viene dada en la Tabla 29.7.

Tabla 29.7. Transmitancia de distintas unidades de vidrio ensamblados en UVA con vidrio de baja emisividad. Vidrio ensamblado en UVA

:

Transmitancia en W/m2·ºK

4-6-4

2,5

4-8-4

1,1

4-10-4

1,8

4-12-4

1,7

Existe un tercer tipo de vidrio muy utilizado en la construcción de edificios, el vidrio de control solar. Dentro de este grupo se pueden agrupar vidrios de muy distinta naturaleza: vidrios de color, serigrafiados o de capa, si bien, es a estos últimos a los que normalmente nos referimos como vidrios de control solar. Las distintas capas y la posibilidad de aplicarse en distintos sustratos vítreos permite una amplia gama de posibilidades con diferentes estéticas y cuyas prestaciones de control solar pueden variar desde valores de 0,10 para los más reflectantes hasta valores de 0,60 para los vidrios incoloros de aspecto neutro. Propiedades del hueco

El hueco puede ser considerado como uno de los elementos más débiles desde el punto de vista del aislamiento térmico de un edificio. Permite grandes fugas de calor en régimen de invierno y un exceso de aportes solares en régimen de verano, que son necesarios compensar con gastos energéticos en calefacción y refrigeración a fin de mantener los niveles de confort adecuados. Las prestaciones térmicas del hueco estarán limitadas tanto por los materiales empleados como por su estado de conservación. El mal estado de los marcos, las sucesivas capas de pintura, descuadres y presencia de ranuras comprometen de tal forma la permeabilidad, que las entradas de aire no deseado se traducen en cargas térmicas que es necesario compensar mediante consumos energéticos adicionales para evitar la pérdida de confort. Estos consumos adicionales aumentan la factura energética, que conllevan inevitablemente mayores emisiones de CO2. La transmitancia térmica del hueco es directamente proporcional a las propiedades de los materiales y a la participación de los marcos y vidrios en

477


Tabla 29.8. Transmitancia del hueco constituido por distintas unidades de vidrio y marcos. Nota: Se ha considerado en los marcos metálicos de RTP la rotura de puente térmico entre 4 y 12 mm, en los de los marcos de madera una densidad de 700 kg/m3, los marcos de PVC de tres cámaras y los vidrios de baja emisividad con ε ≤ 0,03. (Guía Técnica para la Rehabilitación de la Envolvente Térmica de los Edificios. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio e IDAE). Transmitancia térmica del hueco (W/m2·ºK) Marco (30%) Vidrio (70%)

Metálico

Metálico RPT

Madera

PVC

U=5,7

U=4

U=2,5

U=1,8

Monolítico 4mm

U=5,7

5,7

5,2

4,7

4,5

4-6-4

U=3,3

4

3,5

3

2,8

4-12-4

U=2,9

3,7

3,2

2,7

2,5

4-6-4 bajo emisivo

U=2,5

3,5

3

2,5

2,3

4-12-4 bajo emisivo

U=1,7

2,9

2,4

1,9

1,7

el conjunto de la superficie del hueco. Así, el CTE propone para su cálculo la siguiente fórmula: UH = (1 –FM)·UH,V + FM·UH,m

eficaces en coste. Las combinaciones de marcos y acristalamiento son infinitas. A continuación, en la Tabla 29.9 se presentan los resultados de algunas soluciones adoptadas en función de los distintos puntos de partida y los beneficios obtenidos.

siendo Aislamiento acústico del acristalamiento

UH,V la transmitancia térmica de la parte semitransparente en W/m2·ºK. UH,m la transmitancia térmica del marco de la ventana o lucernario en W/m2·ºK. FM la fracción del hueco ocupada por el marco. Debido a la mayor participación del acristalamiento en la ventana hace que las ganancias producidas en la U del acristalamiento tengan mayor repercusión que aquellas alcanzadas por la misma ganancia sobre la U del marco. La Tabla 29.8 presenta los valores de transmitancia térmica global del hueco calculado para un 30% de área ocupada por el marco y 70% de superficie acristalada. Resultados con distintas soluciones de rehabilitación

Dadas las características constructivas, su fácil intervención y la repercusión que tiene sobre el aislamiento térmico de la envolvente del edifico, el cerramiento del hueco se presenta como el primer elemento a valorar técnica y económicamente a la hora de afrontar una rehabilitación térmica del edificio. La intervención sobre los huecos incorporando materiales de mejores prestaciones y correctamente instalados es una de las mejores opciones por su rapidez, menores molestias para el usuario,

Además del aislamiento térmico, el acristalamiento proporciona un aislamiento acústico. El método convencional aproximado de cálculo del aislamiento acústico sigue la “ley de masas”, que indica que esta solo depende de la masa por unidad de superficie del elemento a considerar, así el índice R de reducción sonora global en dB se calcula según la siguiente expresión valida para masas m menores a 150 kg/m2. R= 16,6 log m +2 Para el caso de un vidrio simple de 10 mm, con una masa de 25 kg/m2, el índice de reducción sonora global obtenido resulta de 25 dB, aunque experimentalmente se obtiene un valor de 29 dB. Existen modelos más precisos, como el de E. Escuder y colaboradores, de las universidades politécnicas de Gandía y Valencia, con los que se obtiene para este caso 30 dB. Con estos modelos, y experimentalmente, se aprecia que en un vidrio de 10 mm el mínimo aislamiento acústico está sobre los 800 Hz y para un vidrio doble se desplaza ligeramente hacia frecuecias más elevadas, próxima a 1 kHz. El índice de reducción sonora global del vidrio simple es de unos 30 dB, como ya se ha comentado, y del vidrio doble de 35 dB. Esta diferencia de 5 dB se

478


mantiene, en líneas generales, en la mayoría de frecuencias. Por último, indicar que algunos de los vidrios monolíticos tienen una capa intermedia que con-

stituye una lámina amortiguadora de PVB (polibutil vinilo butiral) o de resinas de metacrilato como el PMMA (polimetil metacrilato), cuya misión es atenuar la transmisión de la vibración.

Tabla 29.9. Pérdidas y ahorros energéticos conseguidos con distintas variantes de rehabilitación del marco y del acristalamiento respecto a una situación inicial con vidrio monolítico y carpintería de madera o metálica. (Guía Técnica para la Rehabilitación de la Envolvente Térmica de los Edificios. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio e IDAE). PÉRDIDAS Y AHORRO ENERGÉTICO CONSEGUIDO DESPUÉS DE UNA REHABILITACIÓN DEL MARCO Y ACRISTALAMIENTO EN UNA VENTANA

SITUACIÓN Situación inicial

Variantes de doble rehabilitación

Situación inicial

Variantes de rehabilitación

ESPESOR CÁMARA

CARPINTERÍA

-

doble doble

ACRISTALAMIENTO vidrio monolítico

VARIACIÓN ENERGÉTICA RESPECTO LA SITUACIÓN INICIAL PÉRDIDAS

AHORRO

madera

100%

0%

6

metálica

85%

15%

12

metálica

79%

21%

doble

6

metálica RPT

74%

26%

doble bajo emisivo

6

metálica

74%

26%

doble

12

metálica RPT

68%

32%

doble bajo emisivo

6

metálica RPT

64%

36%

doble

6

madera

64%

36%

doble bajo emisivo

12

metálica

62%

38%

doble

6

PVC

60%

40%

doble

12

madera

57%

43%

doble

12

PVC

53%

47%

doble bajo emisivo

6

madera

53%

47%

doble bajo emisivo

12

metálica RPT

51%

49%

doble bajo emisivo

6

PVC

49%

51%

doble bajo emisivo

12

madera

40%

60%

doble bajo emisivo

12

PVC

36%

64%

vidrio monolítico

-

metálica

100%

0%

doble

6

metálica

70%

30%

doble

12

metálica

65%

35%

doble

6

metálica RPT

61%

39%

doble bajo emisivo

6

metálica

61%

39%

doble

12

metálica RPT

56%

44%

doble bajo emisivo

6

metálica RPT

53%

47%

doble

6

madera

53%

47%

doble bajo emisivo

12

metálica

51%

49%

doble

6

PVC

49%

51%

doble

12

madera

47%

53%

doble

12

PVC

44%

56%

doble bajo emisivo

6

madera

44%

56%

doble bajo emisivo

12

metálica RPT

42%

58%

doble bajo emisivo

6

PVC

40%

60%

doble bajo emisivo

12

madera

33%

67%

doble bajo emisivo

12

PVC

30%

70%

479


' % Gracias a los numerosos estudios de ciencias de los materiales, hay muchísimas posibilidades de fabricación de materiales aislantes, pudiendo hacer un menú a la carta según las necesidades. Un ejemplo lo constituyen unos films de alta tecnología que ya están en el mercado que hacen de placas aislantes y reflectantes para superficies acristaladas. Su aplicación puede extenderse a edificios con amplias superficies acristaladas para su iluminación interior, en escaparates o edificios singulares situados en climas calurosos. En estos se requiere proteger el interior del edificio, con necesidad de luz, de la entrada del la radiación solar, preservándolo de los rayos ultravioleta que pueden dañar el interior del edificio, muebles, tejidos, papel, y en gastar el mínimo posible en aire acondicionado. También estos films tienen interés en el caso de que en invierno se quiera preservar el edificio de las radiaciones solares y de las pérdidas de calor desde el interior hacia el exterior (por la

existencia de calefacción). Se debe comentar que hay cristales de baja emisividad, bajo factor solar, que consiguen efectos parecidos, y los films pueden utilizarse para no cambiar cristales, o por su mayor efecto, sobre todo en rechazar la radiación infrarroja. Tanto los cristales como los films pueden combinarse con cristales dobles para lograr el máximo ahorro. Estos films o láminas para ventanas están formadas a su vez por multitud de capas cuyo grosor final es menor que el de una hoja de papel. Permiten maximizar las altas prestaciones de una ventana clara o ligeramente polarizada, tanto si desea aprovechar las ventajas de la iluminación solar como si quiere impedir su entrada, con un 70% de transmisión de luz, rechazar el 97% de radiación infrarroja, y bloquear el 99% de radiación ultravioleta (Figura 29.10). Además de una capa de baja emisividad, reduce la pérdida del calor a través de las ventanas durante el invierno

Figura 29.10. Efecto del film a las distintas radiaciones.

480


en más de un 30% el calor radiante interno de ondas largas proveniente de los sistemas de calefacción, así el calor es literalmente “rebotado de vuelta” a la habitación, reduciendo el coste de las facturas de calefacción durante el invierno. Con la multitud de capas se buscan las características específicas necesarias. El resultado es crear un

ambiente interior confortable, que hace que las personas se sientan más frescas en el verano y más abrigadas durante las temporadas frías, aun estando sentado cerca de la ventana. Con las múltiples capas permiten incluir un revestimiento resistente a la abrasión para proteger a la lámina durante su empleo.

Cerramientos con vidrios especiales-inteligentes: smart glazings Como se ha comentado anteriormente, con los mejores acristalamientos se consigue una gran mejora de la eficiencia energética de la vivienda. Con ellos se consigue la principal característica, que es la transparencia, lo que permite un sinfín de posibilidades en el ámbito arquitectónico y de expresión plástica, y por ello el vidrio es considerado un material único en construcción. Sin embargo, a pesar de ello y en función del clima, lugar utilizado y época del año, el vidrio puede jugar bien a favor de una eficiencia energética o en ciertos casos en contra. En el caso de acristalamientos con vidrios convencionales el efecto invernadero puede convertirse en un gran inconveniente, o también la radiación directa a ciertas horas del día puede resultar desfavorable para la habitabilidad del edificio. En la línea de corregir estos inconvenientes los filmes del anterior apartado complementan el comportamiento del vidrio. Sin embargo la situación que se plantea en este apartado va más allá: vidrios capaces de cambiar sus propiedades según ciertas condiciones exteriores o interiores del edificio. A estos vidrios se les conoce como vidrios dinámicos, vidrios especiales-inteligentes o smart glazings, por su capacidad de adaptarse a las condiciones climáticas, ya sea activa o pasivamente. Hasta el momento se han realizado numerosas patentes y diversas empresas se están volcando en su desarrollo comercial, pero aún hay un punto que no está suficientemente analizado: el comportamiento frente a la radiación infrarroja, que precisamente es la causante del efecto invernadero y del aumento de la temperatura en el interior de un recinto. Estos vidrios cambian su color-opacidad bien en función de las condiciones externas a las que están expuestos, o bien aplicándolos un pequeño

potencial eléctrico. Se les conoce por vidrios inteligentes porque actúan como un sistema inteligente, como un edificio domotizado, que actúa o reacciona según las condiciones externas o se activan según los requerimientos de sus ocupantes. Estos vidrios pueden clasificarse en dos grupos: vidrios pasivos y vidrios activos.

VIDRIOS ESPECIALES PASIVOS En este tipo de vidrios su cambio de comportamiento es controlado por las condiciones externas. Los más conocidos son los fotocrómicos y los termocrómicos. Entre los primeros, aún en fase de investigación, el material cambia su transparencia por un cambio de estado, en respuesta a la intensidad lumínica: oscureciendo en función de la radiación, usualmente ultravioleta, y volviendo a sus propiedades originales en la oscuridad. Básicamente el fenómeno es el cambio reversible de una reacción química entre dos estados de energía con espectros de absorción distintos. Este cambio de estado es inducido generalmente por radiación electromagnética ultravioleta. Así, los cristales fotocrómicos han sido usados y probados, y son utilizados habitualmente en algunas lentes especiales de gafas, cambiando desde un color claro en el interior de un edificio a oscuro en ambientes exteriores con sol. Debido a su elevado coste aún no están disponibles en el mercado, si bien se han producido en volúmenes reducidos para confirmar sus grandes posibilidades en la edificación. Los prototipos de Lab’s Enviromental Energy Technology, en su división de Berkeley, muestran que requieren al menos diez minutos para el cambio de coloración. Su transmitancia varía entre un 83% cuando no está activado, transparente, y un 33% cuando lo está, con un color azulado.


Los cristales termocrómicos cambian su transparencia, inducida por una reacción química, en respuesta a la variación de temperatura. Los materiales son hidrogeles de polímero, que varían desde un color claro, cuando la temperatura es baja, a un color blanco difuso, que refleja la luz, cuando la temperatura es alta y en la que la visión a su través es nula. Así la temperatura del vidrio, función del ambiente exterior e interior, regularía la cantidad de radiación solar incidente. Con este tipo de vidrios se han realizado y ensayado prototipos, pero aún no hay productos comercialmente disponibles, pues presentan problemas de inestabilidad a la radiación ultravioleta y de falta de homogeneidad en su cambio de transparencia.

VIDRIOS ESPECIALES ACTIVOS En el grupo de los vidrios activos el cambio de transparencia se consigue con la aplicación de una pequeña corriente eléctrica, controlada a voluntad por los ocupantes del edificio, domóticamente, etc. A este grupo corresponden los vidrios de cristal líquido disperso (LCD), los gasocrómicos, los vidrios de partículas en suspensión (SPD) y los vidrios electrocrómicos. El vidrio LCD consiste en una fina película de cristal líquido colocado entre dos conductores eléctricos transparentes sobre películas de plástico y todo ello laminado entre dos capas de vidrio. Cuando está apagado, el cristal líquido está desordenado y desalineado, reflejando la luz, y consiguiendo un estado translúcido, mientras que cuando se aplica una potencia del orden de 0,5 vatios, operando entre 24 y 100 voltios, se consigue una situación clara de cierta transparencia. La transmitancia varía entre el 50 y el 80%, y el tiempo de conmutación entre los dos estados es del orden de un milisegundo. Recientemente se ha incorporado la posibilidad de introducir color y se está investigando en reducir el tiempo de conmutación. Existen aplicaciones en el exterior de edificios, para controlar las radiaciones ultravioleta, pero comúnmente es usado en interiores. El vidrio gasocrómico utiliza gas hidrógeno, solo o mezclado con otros gases inertes, que actúa sobre una película de óxido de tungsteno, que constituye el componente activo, de menos de 1μm de espesor y laminada con un catalizador. Esta cuando se expo-

481

ne a una baja concentración de hidrógeno, adquiere un color azulado, reduciendo la visibilidad y los valores de transmitancia en el rango de las radiaciones del espectro visible entre el 10 y el 59%. Variando la concentración de hidrógeno, varía el color, y bajo una pequeña concentración de oxígeno, vuelve a su estado de transparencia inicial. La mezcla de gas es introducida en la cámara entre el panel exterior e intermedio de un triple vidrio. La segunda cavidad y el tercer vidrio asegura que el vidrio gasocrómico obtenga unas propiedades térmicas adecuadas. La rapidez de conmutación varía entre los dos y diez minutos. En comparación con un sistema convencional, el conjunto del triple vidrio requiere un complejo sistema con cables eléctricos y tuberías. Los prototipos de ventanas, experimentales, son recientes y se han llegado a alcanzar dimensiones de 1,5x1,8 m. Los vidrios de partículas en suspensión (SPD) están controlados eléctricamente, y utilizan una delgada capa de líquido, en el que hay numerosas partículas microscópicas en suspensión. En la situación de apagado, las partículas están desordenadas y bloquean parcialmente el espectro visible. Mediante un sistema de conductores transparentes se aplica un campo eléctrico en la película que alinea las partículas, aumentando la transmitancia desde el 22% al 57%, pasando de una situación coloreada azul cobalto a casi transparente. La potencia requerida es de unos 0,05 vatios, con una diferencia de potencial de unos 100 voltios, tanto para su encendido como en su mantenimiento en su situación transparente. Este vidrio se comercializa con dimensiones máximas de 1x3 m, plano o curvado, y es recomendado principalmente para interiores. También se puede utilizar en exteriores, siempre y cuando en el lado exterior se utilice un vidrio de baja emisividad o de control solar. Los vidrios electrocrómicos consisten en un conjunto de capas de película muy delgada aplicadas al cristal o a un plástico. Estos cambian su apariencia desde un amarillo claro a un azul oscuro, cuando se les somete a un pequeño voltaje, aunque siempre permite una visión perfecta sin distorsión ni neblina a su través. La ventana electrocrómica se compone de un doble acristalamiento, donde la capa electrocrómica es aplicada en la superficie interior del vidrio externo. La transmitancia de la

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luz visible puede variar entre el 8 y el 77%, pudiéndose graduar eléctricamente los estados intermedios. Resisten bien los rayos ultravioleta, por

lo que pueden utilizarse tanto para exterior como para interior. El producto se comercializa en EE UU con dimensiones máximas de 1x1,5 m.

Diseño y características de bloques de hormigón para su optimización térmica No solo el material es importante para evaluar su efecto aislante, sino también la forma en que está distribuido. El hormigón como material no es especialmente aislante, pero en función de su forma sí puede conseguirse un importante aislamiento. Los bloques de hormigón son muy utilizados para el cerramiento. Suelen tener formas geométricas paralelipédicas con cuatro paredes perimetrales y unas separaciones transversales que configuran los huecos. La variación del coeficiente de transmisión térmica del cerramiento es función de las características del diseño del bloque. Muchos de los resultados pueden extrapolarse a ladrillos de tipo cerámico. La propia Figura 29.11 muestra diferentes configuraciones de bloques, uno de ellos con aislante acústico incorporado. La finalidad de un estudio de eficiencia energética estriba en la obtención de los valores del coeficiente de transmisión térmica lo más bajos posibles con objeto de reducir el consumo energético del edificio a lo largo de su vida útil.

El análisis del comportamiento térmico de estos bloques tiene en cuenta: • • • • • •

Espesor del bloque. Espesor de huecos interiores. Filas de huecos. Relación espesor de huecos-filas de huecos. Disposición de columnas de huecos. Disposición de huecos.

Las conclusiones más importantes son: Conductividad del material

Para conseguir un mejor comportamiento desde el punto de vista térmico, el coeficiente de conductividad debe ser lo más bajo posible. Esto supone generalmente trabajar con materiales de densidades bajas. Se ha podido observar que, reduciendo este coeficiente en un 50%, el valor correspondiente al coeficiente de transmisión total del bloque se reduce en un 35%. Espesor del bloque

Desde el punto de vista del aislamiento térmico un bloque con mayor espesor dará lugar a una menor transmitancia, aunque este mayor espesor se encuentra limitado por reducir los metros cuadrados útiles del interior del edificio. Espesor de huecos interiores

Figura 20.11. Configuraciones de un bloque de hormigón.

Se ha observado que para un mismo número de filas de huecos es recomendable térmicamente que la dimensión del hueco en la dirección paralela al flujo sea lo más próximo posible a 2 cm. En este punto se produce una inflexión de la variación de la transmitancia del bloque en función del espesor del hueco, para un bloque de las mismas dimensiones y conductividad del material.


Filas de los huecos

Si se mantiene constante la dimensión del hueco en la dirección paralela al flujo, es recomendable que haya la mayor cantidad de filas de huecos posible. Así, por ejemplo, la disposición de una única fila de huecos frente a cuatro filas del mismo espesor total del bloque supone una mejora de la transmitancia en un 25%. @ !W!

De los dos anteriores puntos, se extrae que interesa fabricar bloques con gran cantidad de filas de huecos y con la dimensión del espesor del hueco de 2 cm. Conseguir ambas condiciones es complicado en un bloque en el que el espesor se encuentra limitado o definido y en el que hay que mantener una distancia mínima entre huecos para que sea factible su fabricación. Se ha observado que para bloques del mismo material y mismo espesor de pared total el comportamiento mejora cuando se plantea un mayor número de filas de

483

huecos, aunque su espesor sea inferior a 2 cm. Así, en un bloque con un espesor total de 19 cm, si se colocan cuatro filas de huecos de 2 cm entre paredes de 2 cm y se compara con cinco filas (huecos de 1,4 cm) o seis filas (huecos de 0,8 cm) la transmitancia mejora en un 7,4% y un 8,6% respectivamente. Disposición de columnas de huecos

Si la fila de huecos es de pared lateral a pared lateral del bloque, la transmitancia es hasta un 8% mejor en el caso en que haya cuatro columnas entre las paredes laterales. Disposición de huecos

Otra posibilidad analizada es la disposición de columnas con sus huecos que se encuentren alineados o al trasbolillo. Se ha comprobado que la disposición al trasbolillo en la dirección perpendicular al flujo de calor presenta una pequeña mejora del orden del 2,5%.

Ventilación, calefacción y aire acondicionado

30

LOS NUEVOS EQUIPOS DE VENTILACIÓN, AIRE ACONDICIONADO, ACS, Y CALEFACCIÓN CUMPLEN CON SU FUNCIÓN CON MUCHA MAYOR EFICIENCIA QUE LOS DE HACE UNOS POCOS AÑOS. •

•

•

•

La ventilación, la calefacción, aire acondicionado y agua caliente sanitaria son sistemas convencionales de siempre, pero han evolucionado, mejorando en muchos aspectos, como eficiencia, emisión de contaminantes, ruido, espacio ocupado, etc. Las calderas de calefacción y agua caliente sanitaria (ACS) y los sistemas de aire acondicionado están clasificados según su eficiencia por estrellas o por letras, la más eficiente es la de cuatro estrellas o la letra A. En la ventilación se distingue entre natural o mecánica según cómo se impulsa el aire, existiendo ocasiones para utilizar una u otra, o las dos a la vez. La utilización eficaz de la ventilación natural exige que el diseño del edificio lo permita. Se procura siempre reducir la tasa de ventilación al mínimo compatible con la calidad de aire exigida, con lo que se reduce la potencia del ventilador y el consumo. También se mantendrán lo más bajas posibles las cargas térmicas a compensar por la ventilación. La ventilación mecánica puede realizarse por: impulsión, extracción o mixta. El acondicionamiento por aire acondicionado puede realizarse por: aire-aire, aire-agua, solo agua o expansión directa. En el primer caso el aire es distribuido mediante conductos e impulsado a los locales, mejorando la calidad del aire interior, además es el medio de transporte del calor destinado a equilibrar las cargas térmicas existentes. En comparación con la simple ventilación se precisa aumentar el caudal de aire enviado, con lo que los ventiladores son de mayor potencia, consumo y “polución” acústica. En el aire-agua, el aire accede a los locales a través de sus bocas de impulsión y el agua alimenta unas unidades terminales (fancoils) que se encargan de hacer recircular el aire del local con un ventilador, al tiempo que lo enfrían o lo calientan. Los sistemas todo agua son instalaciones dotadas únicamente de ventilo-convectores (fancoils) como unidades terminales, estos son alimentados por agua, y el aire de ventilación tiene que ser introducido en el local por otros medios que condicionan la eficiencia de estos sistemas. Los sistemas de expansión-directa se emplean, habitualmente, como unidades locales y solo sirven para calentar o enfriar, y no proporcionan ventilación ni control de la humedad. Para aumentar la eficiencia de las instalaciones de aire acondicionado debe recurrirse a instalaciones centralizadas y tener en cuenta aspectos como: extraer el aire de los locales a través de las luminarias, mantener la estanqueidad del sistema para evitar fugas de aire, recuperar la energía del aire expulsado al exterior por medios mecánicos (cuando su caudal lo aconseje), considerar el

486

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•

•

•


modo de operación denominado enfriamiento gratuito por aire exterior o free-cooling, y la instalación debe diseñarse para facilitar el mantenimiento y limpieza de todos sus componentes. Si se busca la eficiencia en los sistemas de calefacción es recomendable reducir la temperatura de la superficie de los emisores, lo que disminuye la temperatura en las redes de distribución, y genera una menor estratificación, así como utilizar calderas de baja temperatura o de condensación, más eficientes que las convencionales. No se debe utilizar la electricidad (si se emplea el efecto Joule) o utilizarla como último recurso, solo como apoyo. Para el ACS, desde el punto de vista energético, es preferible el sistema de semi-acumulación. Al disponer de acumuladores más pequeños tienen menos pérdidas por transmisión y no comparten con los sistemas instantáneos la baja eficiencia en el consumo de combustible, por inquemados. Asimismo, permiten la utilización de calderas mixtas de calefacción y ACS de baja temperatura. Para generación de frío es preferible utilizar un ciclo de compresión, y solo se utilizará uno de absorción si el calor procede de un sistema renovable o de cogeneración. Evidentemente el consumo baja disminuyendo las cargas y aumentando la temperatura de refrigeración. Las redes de distribución deben ser equilibradas y lo más cortas posible, correctamente aisladas y con los sistemas de control adecuados. Estos han mejorado con los sistemas digitales y de transmisión, permitiendo una mayor eficiencia de las instalaciones. Con la aplicación de la microgeneración en edificios o su extensión en el district heating (grandes edificios, superficies comerciales, hospitales, urbanizaciones…) se consigue producir electricidad, suministrar calor para la calefacción y ACS, de una forma eficiente y económica. Los sistemas utilizados son microturbinas y micromotores, estos últimos son alternativos de combustión interna y pueden ser de potencias muy variadas. El calor que disipan los circuitos de refrigeración y los gases de escape de las microturbinas o micromotores se recupera para la calefacción y ACS, calor que también puede utilizarse para la refrigeración. El factor clave es la optimización del rango de trabajo, ya que los micromotores y microturbinas están diseñados para funcionar un elevado número de horas en continuo con casi la máxima potencia, consiguiéndose así la máxima eficiencia energética y económica. Lo habitual es optar por una planta con varios módulos de pequeña potencia que permita ajustarse a la demanda de energía térmica, muy estacional, y a la eléctrica, que es más constante.

Introducción Aunque la ventilación, la calefacción y el aire acondicionado se consideren como sistemas convencionales, no por ello se deben catalogar de poco eficientes. En efecto, la ventilación natural, por ejemplo, no consume energía pero debe ejecutarse correctamente para obtener todos los beneficios que de ella se pueden y deben obtener. Las calderas de calefacción y agua caliente sanitaria (ACS) también son sistemas convencionales de siempre. Hay múltiples marcas y tipos en el mercado, en todas ellas se han mejorado aspectos como: el rendimiento, con pocas emisiones de NOx, muchas compatibles con la gama solar (no necesitan de un kit de adaptación de agua previamente calentada con un sistema de captación solar), sofisticada elec-

trónica que permiten una mejor regulación y control, sistemas de preaviso de demanda, etc., aparte de sus reducidas dimensiones. En calderas del tipo doméstico a gas hay una clasificación por estrellas, que va de una, para la menos eficiente, entre el 86% y 89,2% a plena carga, hasta cuatro para la más eficiente, entre el 92% y 96,8%. El aire acondicionado y bomba de calor se encuentran en situaciones parecidas. Si son unidades que constituyen un electrodoméstico además van identificados por su nivel de eficiencia de la A a la G (el nivel de máxima eficiencia es el A y el de menor eficiencia el G), aspectos que se comentarán más adelante. Se debe buscar en todo tipo de instalaciones y equipos la eficiencia. Por ejemplo,


hay equipos que lo consiguen alcanzando rápidamente la temperatura establecida, luego la potencia se ajusta a la necesaria con el sistema inverter con el fin de mantener una temperatura constante y el mínimo gasto energético. Por tanto, no habrá cambios bruscos de temperatura ni de usos de potencia, y se ahorra electricidad. Otros aspectos que han mejorado son la utilización de ventiladores de alto rendimiento y de gran diámetro, con un diseño preciso para la trayectoria del aire. El diseño de sus aspas genera una velocidad y un caudal de aire más elevados. Nuevos motores para ventiladores de corriente continua permiten un control total más eficiente que un motor convencional, acomodándose a un funcionamiento flexible que contribuye al ahorro energético. En ocasiones se conectan dos o más unidades interiores a una única unidad exterior, lo que supone un notable ahorro desde todos los puntos de vista. La función de la ventilación y el aire acondicionado es la de mantener los parámetros ambientales de confort dentro de los límites admisibles. La función principal de la ventilación es cuidar de la calidad del aire interior de los locales, manteniendo respirable, con una composición lo más parecida al aire exterior, con bajos porcentajes de CO2 y otras sustancias contaminantes. La técnica que se utiliza para conseguir una óptima ventilación y un óptimo acondicionamiento de aire consiste en retirar aire del interior y sustituirlo por aire del exterior de forma continua o intermitente. Para generar estos flujos se necesita energía, que puede ser de procedencia natural (viento, efecto chimenea) o mecánica con ventiladores. El aire exterior está normalmente a distinta temperatura y humedad que el interior, pudiendo por ello modificar la temperatura y la humedad de la mezcla que se realiza. La ventilación modifica la calidad del aire, la temperatura y la humedad, pero hay que combinar estos parámetros, con lo que es necesario recurrir a técnicas complementarias como la calefacción o la refrigeración. Incluso en

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ocasiones recurrir a una situación compleja que las incluya a todas: ventilación y control de humedad, o acondicionamiento completo de aire. La primera cuestión es determinar los parámetros a controlar, y en qué medida, para dar el confort a los ocupantes. Sus valores y rangos están fijados en las normas y códigos de aplicación (RITE), en función de la localidad, estación y actividad de los ocupantes. La comodidad se ve muy afectada por pequeñas variaciones de la temperatura, uno o dos grados pueden ser suficientes, en cambio apenas le afectan oscilaciones amplias de la humedad relativa, que puede tomar valores habitualmente entre 40% y 60%, por lo que el control de la humedad se reserva a aquellas aplicaciones que lo precisen, mientras que lo más habitual es el control de la calidad y temperatura del aire. En los últimos decenios el aislamiento de los edificios ha crecido progresivamente, impulsado por reglamentos más exigentes, con la finalidad de un menor consumo en calefacción y refrigeración. En lo referente a la ventilación, la aplicación de nuevas normas ha supuesto un incremento de los requisitos. También se ha abusado de las instalaciones de aire acondicionado, lo que ha dado lugar a un alto consumo de energía destinado al acondicionamiento. Este panorama abona todavía más la necesidad de adoptar estrategias de eficiencia energética relacionadas con la ventilación y el acondicionamiento de aire desde la fase de diseño, tanto en edificios nuevos como en las reformas. Una tasa de 8 l/s por persona se puede considerar razonable, para actividades sedentarias; superarla sin necesidad implica un consumo innecesario de energía. Hay que cuidar las infiltraciones, son indeseables, por lo que se debe cuidar la estanqueidad en los edificios. En los próximos párrafos se da una visión de los distintos sistemas, su características generales y las directrices para su mejor aprovechamiento, pero en ningún caso se pretende realizar un diseño y menos un dimensionado de una instalación.

Ventilación. Clases de ventilación En función de cómo se impulsa el aire se distingue la ventilación en natural y mecánica, existiendo ocasiones para utilizar una u otra, o las dos

a la vez. La utilización eficaz de la ventilación natural exige que el diseño del edificio lo permita. En cambio, la mecánica es prácticamente indepen-

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diente de las características formales del edificio. Cada una tiene sus ventajas e inconvenientes. La mecánica consume mucha energía, por tanto se debería dar preferencia a la natural, reservando la mecánica para los casos en que es imprescindible y no exista otra alternativa. Este enfoque obliga a diseñar el edificio para que la ventilación se destine exclusivamente a controlar la calidad del aire con máxima eficiencia y no a compensar cargas térmicas. Si esta es necesaria, se realiza una instalación adicional específica para esta función, en la que el consumo sea mínimo. Para cumplir estos objetivos sería necesario: •

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Reducir las cargas térmicas interiores de refrigeración generadas por la iluminación artificial y otras fuentes. En este apartado un aporte de 40 W/m2 puede considerarse excesivo. Reducir la carga térmica exterior derivada de la radiación solar, tras incidir en las superficies interiores de los edificios, mediante la disposición de los protectores y dispositivos reguladores solares que resulten necesarios, cristales especiales o films que impidan el paso de radiación infrarroja. Elegir revestimientos, muebles y complementos con baja emisión de sustancias volátiles. Concentrar las máquinas y dispositivos que desprenden calor en recintos o zonas en las que resulte fácil su expulsión para no contaminar térmicamente los espacios a ventilar. Protegerse del ruido exterior con medidas pasivas para que su presencia no penalice la elección de la ventilación natural.

VENTILACIÓN NATURAL. VENTAJAS En los edificios donde se instala la ventilación natural puede esperarse: • • • • •

Menores costes de implantación. Menores gastos de mantenimiento y consumo. Menores emisiones de contaminantes a la atmósfera. Ausencia de ruidos y vibraciones. Menor volumen ocupado al no existir maquinaria y conductos de distribución del aire.

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Menor rigidez en el mantenimiento de las condiciones, lo que ofrece más libertad a los usuarios.

Todos estos puntos cambiarán de sentido cuando se refieren a edificios que solo disponen de ventilación mecánica.

VENTILACIÓN MECÁNICA Esta se utiliza para proporcionar al edificio la calidad del aire que exigen las normas y por tanto opera como sustituto de la ventilación natural. Normalmente se cuenta con la ventilación mecánica cuando en el exterior el ruido y la polución alcanzan magnitudes que aconsejan evitar el riesgo de su posible inmisión, y siempre que no resulte posible su control por otros medios. Cuando su uso sea estrictamente necesario, se procurará reducir la tasa de ventilación al mínimo compatible con la calidad de aire exigida, con lo que se reducirá la potencia del ventilador y el consumo. También se mantendrán lo más bajas posible las cargas térmicas a compensar por la ventilación, evaluando la conveniencia de introducir dispositivos de variación de caudal que doten a la instalación de la capacidad de ajustar sus prestaciones a las exigencias de cada momento. La ventilación mecánica también contribuye a elevar las cargas de refrigeración, ya que calienta el aire, por el contrario, en régimen de calefacción será positivo. Hay que tener en cuenta que en edificios muy estancos que están ventilados mecánicamente, sin posibilidad de abrir las ventanas de forma natural, los ocupantes se muestran más exigentes en el mantenimiento de las condiciones estándar, precisión que solo puede proporcionar la ventilación mecánica. La ventilación mecánica precisa de aberturas de aire menores que la natural, y controla con más precisión las tasas de inmisión de aire. Las medidas de eficiencia energética a considerar en la ventilación mecánica son: •

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Adaptar sistemas de recuperación de calor del aire expulsado, siempre que la energía a recuperar justifique el incremento de coste. Asegurar que los ventiladores paren cuando el edificio está desocupado. Diseñar el trazado de conductos con la menor longitud y el menor número de cambios


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de dirección, siendo preferibles las curvas a los codos. Establecer regulaciones para adaptar el caudal de aire a las necesidades. Dimensionar los ventiladores para que trabajen con la máxima eficacia. Posibilitar que la instalación pueda hacer uso del enfriamiento gratuito cuando las condiciones climáticas exteriores lo permitan. Zonificar el edificio para dar la posibilidad de ventilar mecánicamente unas zonas, las ocupadas, manteniendo el resto con ventilación natural.

Formas de instalación de ventilación mecánica

La ventilación mecánica puede ser local o centralizada, dependiendo del alcance de su influencia. Se puede implementar: •

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Impulsando aire a los locales que luego sale por sus medios por las distintas aberturas, puertas, ventanas, Extrayéndolo, o Con una solución mixta de impulsión y extracción.

La elección de cada técnica estará en función de las características de los espacios a ventilar y del grado de control de los contaminantes que se requiera. Técnica de impulsión Permite un mejor control del volumen, distribución y velocidad del aire que penetra en el local. No obstante, para que la difusión del aire sea óptima se precisa regular las bocas de impulsión. El aire entrante se puede filtrar y en su caso calentar o

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enfriar. Otra de las ventajas es el control que ejerce sobre las infiltraciones de aire al mantener el local a sobrepresión (véase Figura 30.1a). Técnica de extracción Mantiene el local en presión negativa respecto al resto y requiere que la distancia entre el punto de aspiración y la entrada de aire fresco no sea excesiva para evitar la contaminación progresiva del aire que penetra (véase Figura 30.1b). Su eficacia depende, en gran medida, de la posición relativa de las aberturas de entrada y salida. Es la más indicada para aseos, cocinas y en general para todos aquellos casos en los que se desee que el aire contaminado no pase a otras dependencias. Técnica combinada Con la ventilación combinada de extracción e impulsión se da un paso más en las posibilidades de control (véase Figura 30.1c). Normalmente, se acostumbra a mantener los locales en sobrepresión para controlar la infiltración (aire parásito) y la inmisión de polución, para ello se fija la tasa de impulsión en un 15% o un 20% por encima de la tasa de extracción. Entre las ventajas de la técnica combinada figuran: • • • •

Una mayor eficacia de ventilación. Permite que el aire que se introduce se pueda filtrar, calentar o enfriar. Posibilita la recirculación. Facilita la recuperación de calor del aire expulsado.

• Entre las desventajas: •

Necesita doble trazado de conductos, uno para la impulsión y otro para la extracción.

Figura 30.1. Esquemas de ventilación mecánica. a: ventilación por impulsión, b: ventilación por extracción y c: ventilación mixta o combinada.

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La presencia de dos ventiladores (sin recirculación) incrementa el consumo eléctrico. Mayores niveles de ruido y vibraciones cuyo control exige una mayor inversión. Un mantenimiento mayor.

VENTILACIÓN MIXTA Consiste en la combinación eficaz de la ventilación natural con la mecánica y/o refrigeración. Es una forma de ventilar que maximiza la implicación del soporte constructivo y la envolvente del edificio en el logro de las condiciones ambientales interiores de confort, haciendo intervenir en todo o parte del edificio, o durante todo o parte del tiempo a los sistemas mecánicos, consumidores de energía. Se trata de una instalación entre la ventilación natural pura y el acondicionamiento de aire. No obstante su aprovechamiento requiere un esfuerzo adicional de diseño, un mayor coste aplicado a la parte pasiva del sistema y a la regulación encargada de coordinar las distintas aportaciones. Es una técnica que generalmente se utiliza en edificios de oficinas, aunque permite su extensión a otros edificios. Las ventajas de la ventilación mixta se pueden resumir en los siguientes puntos: •

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Sistemas mecánicos menores que en las instalaciones de acondicionamiento de aire y, por tanto, menores consumos de energía y una menor emisión de CO2. Mayor integración de los sistemas mecánicos en el soporte material de los edificios. Sistemas más fáciles de gestionar. Mayor protagonismo y grado de satisfacción de los usuarios. Costes de inversión, mantenimiento y explotación menores.

ACONDICIONAMIENTO DE AIRE La ventilación, por medios mecánicos, también figura como componente en las instalaciones de acondicionamiento de aire. En este caso el aire, distribuido mediante conductos e impulsado a los locales, no solo sirve para aumentar la pureza del aire interior, sino que además actúa como medio de transporte del calor sensible y, en su caso latente, destinado a equilibrar las cargas térmicas

existentes. Para cumplir esta segunda función se precisa aumentar el caudal de aire enviado, con lo que los ventiladores ven incrementada su potencia y en consecuencia su consumo de energía. El movimiento del aire absorbe la mayor parte de la energía que consume la instalación de acondicionamiento y es la fuente principal de la polución acústica. Por tanto, en este tipo de instalaciones la parte que más vigilancia requiere, desde el punto de vista energético y de protección frente al ruido, es la parte destinada a mover el aire. En mediciones de edificios de oficinas realizadas en el Reino Unido se han registrado valores, considerados típicos, entre 40 y 45 kWh/m2 por año, reduciéndose estos valores a la mitad o menos en los edificios con instalaciones más eficientes. En las instalaciones de acondicionamientos de aire, este se impulsa a baja, media o alta velocidad. La baja velocidad es más económica en gasto de energía, aunque determinados componentes sean más caros. La alta velocidad tiene el atractivo de necesitar conductos de secciones menores, y por tanto menor volumen de edificio para su alojamiento. En cambio gasta más, genera más ruido y necesita dispositivos terminales para reducir la velocidad de aire antes de entregarlo al local. Desde el punto de vista energético es preferible la baja velocidad. Estas instalaciones se denominan con los términos “aire acondicionado” o “acondicionamiento de aire” y presentan una amplia gama de tipos. Las más completas controlan la totalidad de los parámetros ambientales relevantes, como son la pureza o calidad de aire, la temperatura y la humedad del ambiente y la velocidad del aire dentro del local. Están muy extendidas las instalaciones que se centran, sobre todo, en el control de la temperatura del aire, enfriando o calentando, y son muy frecuentes las que únicamente permiten enfriarlo. La razón de esta variedad es que no todas las aplicaciones requieren las mismas prestaciones. En aquellas aplicaciones que una variación, por ejemplo la humedad relativa, no ponga en riesgo la comodidad o estropee determinados productos sensibles a la humedad como obras de arte o productos higroscópicos, parece razonable optar por una instalación que no incorpore el control continuo y preciso de este parámetro, con lo que se conseguirán sustanciales ahorros en los costes de


adquisición y en los gastos corrientes de funcionamiento. El control de la humedad implica procesos con un consumo intensivo de energía y su implantación solo es obligada en lugares como los museos para preservar las obras expuestas o almacenadas. La inclusión de un sistema completo de acondicionamiento de aire (con control de humedad) supone incrementar los gastos corrientes de un edificio en un 50%. El control del contenido de humedad del aire de impulsión exige unas veces humidificar y otras deshumidificar. Para aportar humedad se emplean generadores de vapor que lo insuflan en la corriente de aire. La deshumidificación se realiza enfriando el aire por debajo de su punto de rocío y luego postcalentándolo. Ambos procesos son consumidores de energía, el segundo además es muy poco eficiente, pues consume energía primero para enfriar el aire y luego para elevar su temperatura. Una alternativa son los sistemas de humidificación ultrasónicos que consumen hasta un 90% menos de energía eléctrica que los convencionales, pero como efecto asociado enfrían el aire, con lo que es necesario calentarlo para devolverlo a la temperatura de impulsión. Asimismo, en la deshumidificación se pueden emplear materiales desecantes como el gel de silicona, pero necesitan una regeneración posterior para devolverles su capacidad de absorción de la humedad, que también consume energía. Su utilización puede resultar más atractiva si se dispone de una fuente residual de energía destinada a perderse si no se aprovecha. El proceso de elección del sistema de acondicionamiento de aire apropiado debería siempre hacerse desde abajo, planteando en primer lugar la autoexigencia de agotar todas las posibilidades de la ventilación natural, y en caso de precisar la mecánica y otros servicios térmicos optar por una solución combinada, en la que podrá tener una mayor o menor importancia la contribución de los elementos pasivos. Solo al final de estas reflexiones cabría preguntarse qué sistema es el más eficiente y por tanto el más conveniente. Sistemas de aire acondicionado

Es típica la clasificación que divide estos sistemas en todo-aire, aire-agua, todo-agua y los ba-

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sados en ciclos termodinámicos o de expansión directa. Estos últimos y los todo-agua necesitan un sistema auxiliar de ventilación que aporte, al menos, el caudal mínimo de aire exigido para mantener la calidad del aire interior. Sistemas todo-aire Un sistema todo-aire es el que utiliza el aire impulsado para ventilar y contrarrestar las cargas térmicas existentes en los espacios donde las haya y deban acondicionarse. Se envía el aire a una zona, unizona, a través de un único conducto o doble conducto, manteniendo constante el caudal y con temperatura variable (caudal constante) o con caudal variable y temperatura constante (VAV). Son sistemas que mueven grandes caudales de aire a través de conductos también grandes. Atendiendo a criterios de idoneidad y eficiencia, los sistemas unizona se deberían reservar a lo locales grandes con una sola zona térmica, donde las cargas exteriores sean poco importantes y las interiores uniformes, como en teatros y auditorios de una planta, salas de conferencias, etc., aplicaciones en las que prestan un servicio de gran calidad y muy eficiente. Los multizona son altamente ineficaces porque la preparación del aire se hace por mezcla de aire frío y caliente, lo que obliga a enfriar o calentar por separado cada componente de la mezcla para hacer frente a las condiciones más desfavorables, lo que derrocha energía. Los sistemas de doble conducto son igualmente ineficaces por el mismo motivo, por un conducto viaja aire caliente y por el otro aire frío, y ambos se mezclan previamente para conseguir la temperatura del aire a insuflar al local. Todo lo que suponga reducir el caudal de aire que transita por los conductos de impulsión supone mejorar la eficiencia energética de un sistema de acondicionamiento de aire. Los sistemas de caudal variable se basan precisamente en eso, preparan aire a un temperatura constante (12-18 ºC) y varían el caudal entregado a través de las cajas terminales de acuerdo con la demanda estricta de los locales, lo que los hace muy apropiados para servir zonas con distintas exigencias, y por tanto se los puede considerar como genuinos sistemas multizona. El proceso de modificación del caudal entregado por el ventilador está gobernado por un sensor

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de presión estática cuya ubicación en la red es crítica a la hora de obtener los ahorros energéticos esperados. Si se coloca muy cerca del ventilador apenas modificará su lectura, si está muy lejos la respuesta no coincidirá con la demanda real. La mejor posición está entre la mitad y los 2/3 de la longitud del conducto principal de impulsión. Existen varias formas de variar el caudal, pero las únicas efectivas, desde el punto de vista energético, son las que actúan sobre el ventilador para adecuar la velocidad de giro del motor, y por tanto el gasto de energía, es decir, el caudal que en cada momento se demande. El sistema típico se utiliza normalmente en las áreas interiores de los edificios con cargas constantes, siempre de refrigeración, proporcionadas por las luces, personas, equipos, etc. Por tanto siempre opera con aire frío. En la actualidad, estos sistemas pueden utilizarse en zonas interiores y perimetrales y con dispositivos de calefacción auxiliar o sin ellos. Para las áreas perimetrales que necesiten calor, las cajas terminales pueden incorporar baterías de recalentamiento, aunque ese mismo efecto puede lograrse disponiendo una calefacción auxiliar, mediante radiadores de agua caliente, un sistema de aire de caudal constante, o cualquier otro medio de calefacción que precisa ser evaluado, previamente, en áreas para no penalizar la eficiencia global. Otra de las características que confieren eficiencia al sistema es que el aire entregado por el ventilador se prepara para compensar la máxima carga de refrigeración simultánea de todas las zonas y no la suma de las puntas como es preceptivo en otros sistemas. Sistemas aire-agua Estos se sirven de ambos fluidos para transportar la energía de calefacción o refrigeración o, alternativamente, de solo el agua y reservan el aire para ventilar únicamente. El aire accede a los locales a través de sus bocas de impulsión y el agua alimenta unas unidades terminales (fancoils) que se encargan de hacer recircular el aire del local con un ventilador, al tiempo que lo enfrían o lo calientan. Son unos ventiladores tangenciales cuya eficacia es del 40 al 45%. Alternativamente, el aire se puede conducir a presiones más altas, directa-

mente al interior de unos terminales especiales (inductores) y que al salir con velocidad por una tobera, dispuestas para ese fin, consiguen un efecto similar al ventilador. La instalación hidráulica en estos sistemas se hace con dos, tres o cuatro tubos (son más recomendables los de dos o cuatro tubos). Los esquemas de dos tubos se reservan para aquellas aplicaciones que requieran calefacción y refrigeración en estaciones distintas. Los de cuatro tubos se emplean cuando se prevé que en el edificio pueden existir unas zonas que requieran calefacción y, simultáneamente, otras que precisen refrigeración. La disposición permanente de los dos servicios, calefacción y refrigeración, acarrea problemas de control y de eficiencia energética. Asimismo, se puede considerar como un sistema aire-agua la combinación de techos o vigas frías, que refrigeran por radiación (y utilizan agua fría como fluido), y el aire de ventilación, solo o contribuyendo también a contrarrestar parte de la carga térmica del local. Esta combinación tiene el atractivo de que requiere menores potencias de ventilador, y por tanto menores consumos. Una alternativa de mayor eficiencia consiste en incorporar el aire mediante la técnica de desplazamiento y no por mezcla. Esta técnica precisa de menores caudales de aire y unas temperaturas de refrigeración no tan bajas como las convencionales en la ventilación por mezcla, lo que ofrece más oportunidades para operar en régimen de enfriamiento gratuito. El aire penetra en los locales por la parte baja extendiéndose por el suelo, ascendiendo y envolviendo los focos de convección existentes, como las personas o cualquier otro foco de calor, con lo que se consigue movilizar solo el volumen de aire necesario para generar un micro clima próximo a dichos focos sin necesidad de afectar al resto del espacio. El aire contaminado se extrae por la parte superior, lo que permite aprovechar la estratificación y relajar con ello las condiciones ambientales por encima de la zona de ocupación. Sistemas todo-agua Están representados por aquellas instalaciones dotadas únicamente de ventilo-convectores (fancoils) como unidades terminales, o por los sistemas basados en superficies radiantes alimentadas


por agua. Como su propio nombre indica solo operan con agua como fluido potador, por lo que el aire de ventilación tiene que ser introducido en el local por otros medios. La eficiencia de estos sistemas hay que evaluarla considerando también, si es que procede, los consumos que corresponden a la ventilación. Sistemas de expansión directa Los sistemas de expansión directa se emplean, habitualmente, como unidades locales y muy raramente se contemplan como una alternativa para resolver la climatización de todo el edificio. Así solo sirven para calentar o enfriar, no proporcionan ventilación y tampoco pueden controlar la humedad al tiempo que enfrían. Los sistemas compactos, partidos, los CRV (sistema de caudal de refrigerante variable, también llamados VRV) pertenecen a estos sistemas, y el denominado lazo de agua con bombas de calor. Este último consiste en el empleo de bombas de calor reversibles conectadas por una corriente de agua circulante, que sirve como fuente o sumidero de calor. Está indicado para edificios con una significativa variabilidad espacial de las cargas, principalmente, si requieren refrigeración y calefacción simultánea en zonas diferentes. La instalación se complementa con un depósito, una caldera que aporta calor al agua cuando la demanda de calefacción supera a la de refrigeración, y una torre de refrigeración cuando el desequilibro térmico se invierte. Preparando así el sistema puede trasladar el calor tomado de las zonas que necesitan refrigeración a las zonas que precisan calefacción. Es un sistema eficiente por la incorporación en su base de la recuperación energética, lo es también por las reducidas pérdidas de calor en la recirculación del agua, debido al escaso diferencial de temperatura con el espacio circundante. Las unidades compactas se utilizan para resolver la climatización de un local dentro del edificio, se colocan empotrados o cerca de los cerramientos exteriores para disponer de una fácil comunicación entre el condensador y el aire exterior. Los sistemas partidos (split), con una o varias unidades interiores, tienen un campo de aplicación similar, aunque la instalación gana en flexibilidad, con un COP (coefficient of performance) algo ma-

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yor que las compactas. El condensador y el compresor se montan en el exterior y los evaporadores en el interior. Algunos sistemas partidos incorporan compresores de velocidad variable que son capaces de modular su respuesta a las necesidades cambiantes de la demanda. Su empleo es habitual en comercios y restaurantes. La variante de caudal de refrigerante variable (CRV o VRV) es básicamente un sistema partido que rompe con las limitaciones de distancia, altura y número de unidades interiores de los multipartitos. Se ha beneficiado de una mejora constante de la tecnología, especialmente en su capacidad para adecuar la potencia a la demanda exigida, que ha llevado a que se le considere más como un sistema de climatización distribuida que como uno de carácter local. Aparte de los sistemas solo frío y bomba de calor los hay con recuperador de calor que pueden operar en modo mixto: frío y calor.

instalaciones de acondicionamiento de aire Entre las medidas mas interesantes se pueden destacar: •

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Extraer el aire de los locales a través de las luminarias para, en su caso, utilizarlo. Esta medida reduce además la carga térmica de refrigeración debida a las lámparas, mejorando la eficacia y alargando su vida útil. Esta disposición es objeto de una mera recomendación por parte del vigente RITE, cuando en el anterior era una obligación por entender que la potencia de iluminación por metro cuadrado instalada actualmente ha descendido a causa de una mayor eficacia de las lámparas. Tendencia contraria a la experimentada por la potencia derivada de los equipos electrónicos presentes en las oficinas modernas. Diseñar el sistema para facilitar el mantenimiento y limpieza de los componentes, en especial filtros, baterías, bandejas de agua y conductos, para no introducir resistencias al paso del aire y evitar la aparición de riesgos para la salud. Disponer sistemas de humidificación ultrasónicos.

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Mantener la estanqueidad del sistema para evitar fugas de aire que reducen la eficacia. En las instalaciones de acondicionamiento de aire es especialmente importante considerar el modo de operación denominado enfriamiento gratuito por aire exterior o free-cooling. Su control debe hacerse comparando las entalpías entre el aire de retorno y exterior, aunque en climas secos baste hacerlo comparando solo temperaturas. Recuperar la energía del aire expulsado al exterior por medios mecánicos cuando su caudal lo haga aconsejable. Evaluar, para la correspondiente zona climática, el ahorro energético esperado de la incorporación de una combinación de

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dispositivos de enfriamiento indirecto y directo para alargar el tiempo de aprovechamiento del enfriamiento gratuito. Optar, siempre que sea posible, por sistemas centralizados, más fiables, y que requieren un menor esfuerzo de mantenimiento que los descentralizados. En los locales con una altura superior a 4 m debe tenerse en cuenta el fenómeno de la estratificación. Así, en las aplicaciones de refrigeración se debe mantener, utilizando la ventilación por desplazamiento. En cambio en las de calefacción, recurrir a la difusión por mezcla del aire a la calefacción radiante, o a cualquier otro sistema que resulte efectivo para este fin.

Calefacción y agua caliente sanitaria Funcionalmente, los sistemas de calefacción constan de un módulo de generación de calor, uno de distribución y un tercero de emisión. En el agua caliente, al tratarse de un servicio que, como producto, entrega el fluido más el calor, el último modulo está representado por un simple punto receptor o de consuno. En línea con lo expuesto, un sistema eficiente energéticamente debería: • •

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Incorporar un generador de calor eficiente. Garantizar la distribución del fluido caloportador, hasta el emisor o punto de consumo, de forma eficaz, con el caudal y la temperatura demandados. Disponer de dispositivos de control eficaces para modular su respuesta a los cambios de las condiciones exteriores, ocupación, actividad y ganancias internas. Incorporar emisores y puntos de consumo eficaces.

SISTEMAS DE CALEFACCIÓN Su desglose se articula atendiendo a la forma preferente en la que los emisores transfieren el calor al aire del ambiente y/o a las superficies que contiene. Si la transmisión se efectúa esencialmente por radiación, las variantes son:

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Superficies radiantes (suelo, techo o paredes), usando electricidad o agua caliente. Aparatos eléctricos de infrarrojos. Pequeños paneles radiantes, eléctricos. Calefacción de techo con terminales dotados de un quemador de gas. Zócalos eléctricos.

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Ventilo-convectores (fan-coil), por agua caliente. Aerotermos. Convectores estáticos, eléctricos, etc. Convectores dinámicos (incorporan un ventilador), eléctricos.

Transmisión mixta, por radiación y convección: • •

Radiadores convencionales asistidos por agua caliente. Radiadores eléctricos de aceite.

La adopción de una estrategia de eficiencia energética supone: •

Utilizar con cautela la electricidad si se emplea el efecto Joule, habitualmente el sis-


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tema más contaminante y menos eficiente desde un punto de vista global. Utilizarla solo como apoyo a otros procesos más eficientes o cuando la escala de la aplicación y la comodidad de su implantación justifiquen su empleo. Reducir la temperatura de la superficie de los emisores redunda en un menor gasto de energía al disminuir la temperatura en las redes de distribución, generar menor estratificación del aire en los locales y permitir la utilización de calderas de baja temperatura más eficientes que las convencionales. Evaluar la utilización de sistemas centrales o descentralizados, en función de las cargas existentes en las zonas, el régimen de ocupación, etc.

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AGUA CALIENTE SANITARIA En la preparación del agua caliente sanitaria (ACS) se pueden emplear sistemas de acumulación (con tiempo superior a una hora), semiacumulación (de diez a veinte minutos) o instantáneos (se calienta al mismo tiempo que se consume). Desde el punto de vista energético son preferibles los sistemas de semi-acumulación. Al disponer de acumuladores más pequeños tienen menos pérdidas por transmisión y no comparten con los sistemas instantáneos la baja eficiencia en el consumo de combustible, por inquemados. Asimismo, permiten la utilización de calderas mixtas (calefacción y ACS) de baja temperatura. La temperatura de preparación será la mínima compatible con la utilización concreta, teniendo en cuenta lo dispuesto por la legislación de prevención de la legionela.

Generación de calor y/o frío Estos módulos están presentes en las instalaciones de acondicionamiento de aire (calor y/o frío), y en las de calefacción y preparación de ACS (calor). En relación con ellos, es positivo desde el punto de vista energético: •

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Montar hidráulicamente en paralelo las unidades alimentadas con energía convencional para así poder independizar su funcionamiento. Disponer los generadores necesarios en número y potencia para que hagan frente a la variación de la demanda con el máximo rendimiento cada uno de ellos. Situarlos en los edificios de forma que resulte fácil el equilibrado de la instalación y se reduzca la longitud de las redes de distribución. Organizar su montaje de manera que cuando tenga que parar un generador también lo hagan el resto de los elementos asociados.

GENERACIÓN DE CALOR La generación de calor consta de un elemento que transfiere energía desde los gases a un fluido primario que lo transporta a un intercambiador

de calor, para calentar el fluido que finalmente es objeto de la distribución para acercarlo a los puntos de utilización. Entre ellos están las calderas y bombas de calor. Calderas convencionales

Queman combustibles sólidos, líquidos o gaseosos y la temperatura del agua a la que trabajan es alta, entre 80 y 90 ºC. Calderas de baja temperatura

Pueden funcionar continuamente con agua a una temperatura de retorno entre los 35 y 40 ºC, y en determinadas ocasiones pueden condensar. Tienen un rendimiento estacional muy bueno y la temperatura de los humos no es tan alta como en las convencionales, lo que contribuye a reducir las pérdidas. Aunque su mejor rendimiento lo obtienen con carga parcial pueden operar con temperaturas más altas en los periodos que se requiera su potencia máxima. Calderas de condensación

Se trata de calderas de baja temperatura, que están diseñadas para que la condensación del vapor

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de agua contenido en los gases de la combustión tenga lugar permanentemente. El rendimiento estacional de estas calderas es muy alto y su combustible idóneo es el gas natural.

Estrategias de eficiencia energética: •

Calderas eléctricas

Son calderas que utilizan la electricidad como fuente de energía. Son muy poco eficientes y la energía utilizada es cara.

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Bombas de calor

Su funcionamiento consiste en transferir calor desde un medio a baja temperatura a otro con una temperatura mayor, mediante un ciclo de compresión, valiéndose de los cambios de estado líquido-vapor y vapor-líquido, experimentados por un fluido en continua recirculación que pasa sucesivamente por el evaporador, de donde toma el calor, compresor mecánico (con alimentación eléctrica) donde aumenta su presión y condensador (parte útil, donde calienta el medio correspondiente) y válvula de expansión (Figura 30.2). El fluido de nuevo es conducido al evaporador, realizando de esta forma ciclos sucesivos.

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La mayor parte del tiempo los generadores funcionan por debajo de la carga máxima, por lo que en plantas con calderas convencionales es necesario un fraccionamiento de la potencia para que cada generador funcione a su potencia máxima. Con las calderas de mayor eficiencia como las de baja temperatura y condensación que aumentan su eficiencia cuando disminuye la carga, la recomendación anterior queda anulada. La regulación de los quemadores que utilicen combustibles líquidos y gaseosos se establecerá de acuerdo con la potencia nominal del generador. Para potencias pequeñas, hasta 70 kW, basta la regulación todo o nada, mientras que para potencias más grandes es preferible la regulación modulante. Evaluar si la utilización de bombas de calor solo para calefacción compensa el consumo de una energía más cara, como la electricidad.

Figura 30.2. Esquema del ciclo de una bomba de calor de compresión mecánica accionada por motor eléctrico: condensador, válvula de expansión, evaporador y compresor.


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GENERACIÓN DE FRÍO

Absorción

La potencia de refrigeración necesaria para mantener las condiciones de confort disminuye:

El principio termodinámico en el que se basa es similar al de compresión, solo que aquí el compresor mecánico que comprime el vapor es sustituido por dos dispositivos denominados absorbedor y generador que hacen la misma función, y que puede verse en la Figura 36.11 de la Parte V. Las sustancias implicadas en el proceso son el amoniaco, que hace de refrigerante, y el agua, como absorbedor, o bien el agua como refrigerante y una sal de bromuro de bismuto como absorbedor. La energía exterior necesaria se aplica en forma de calor al generador. En la Figura 36.12, de la Parte V, está comentado con cierto detalle el ciclo de absorción de una aplicación de enfriamiento de un sistema solar con ciclo de absorción con amoniaco y agua. El rendimiento de las máquinas basadas en este principio es muy inferior, del orden de 1, al de compresión. Aun así, su utilización puede resultar interesante en la medida que se disponga de energía gratuita (solar) o de bajo coste (cogeneración, u otras) ya que la diferencia de rendimiento puede quedar compensada.

• • •

Reduciendo las cargas de refrigeración en el edificio. Aumentando la temperatura del suministro de la refrigeración. Haciendo uso, siempre que sea posible, del enfriamiento gratuito.

En general, el rendimiento de los equipos frigoríficos (COP) aumenta, cuando la diferencia entre las temperaturas de evaporación y condensación se reduce. Ciclo de compresión

El fundamento es el descrito al tratar de la bomba de calor, pero en un grupo frigorífico el trabajo útil se efectúa en el evaporador que se enfría. Normalmente el medio enfriado será agua, utilizada para alimentar las baterías encargadas de enfriar el aire a tratar. En el condensador, el medio al que se cede el calor puede ser el aire exterior o el agua que recircula entre el condensador y una torre de refrigeración exterior. Puede verse en la Figura 30.2, o más adelante, en la Figura 36.8 de la Parte V, donde se indica el esquema y funcionamiento de este ciclo. El COP en este tipo de máquinas puede alcanzar valores de hasta 5,5. Las válvulas de expansión electrónicas asistidas con microprocesador incrementan el COP en comparación con las válvulas convencionales.

GENERACIÓN DE FRÍO Y CALOR La generación de frío y calor se puede llevar a cabo mediante: • •

Bombas de calor reversibles (véase Figura 30.3). Unidades con doble condensador y distintos modos de operación.

Figura 30.3. Esquemas ciclo de calefacción y de refrigeración de una bomba de calor reversible.

498


Medidas de ahorro energético: •

Fraccionar la potencia para que cada generador pueda funcionar con el máximo rendimiento para cada estado de cargas.

•

Cuando la demanda disminuya por debajo del fraccionamiento mínimo de una máquina, se dispondrá de otro sistema de dimensionado para cubrirla.

Otros aspectos: redes de distribución, aislamiento térmico, medición y control Cada sistema, ventilación, calefacción, aire acondicionado y agua caliente sanitaria tienen su propio tipo de red de distribución, sin embargo en todos ellos la estrategia estará dirigida a: •

•

Conseguir el equilibrado de la red para asegurar un funcionamiento adecuado y su incidencia positiva en el uso racional de la energía. Realizar el circuito de la red con la menor longitud de canalización y con el menor número de obstáculos.

Sin entrar en el detalle de cada tipo de sistema, hay que comentar que todos los componentes de las instalaciones deben aislarse adecuadamente en función de la temperatura de los fluidos que conducen y de su geometría, para reducir al máximo las pérdidas de energía por sus paredes. El Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), establece las condiciones que deben cumplir las instalaciones de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria, y muy en particular el aislamiento, dispositivos de medición y control.

Las instalaciones deben disponer de los dispositivos de medición de los parámetros relevantes, con la capacidad de proporcionar sus valores antes y después de cada uno de los procesos implicados. Los sistemas de medición, transferencia y gestión han evolucionado mucho. Hay muchos tipos de sensores de temperatura, humedad y presión, digitales y analógicos, algunos muy simples y otros sofisticados y muy precisos. De esta forma se ha reducido el coste de los parámetros a controlar, lo que ha permitido una mayor sofisticación con un mejor y más completo control, mediciones en continuo, rampas de ajuste más complejas, conjunción de mayor cantidad de datos y de los distintos sensores, lo que redunda finalmente en una mayor eficiencia. El propio diseño de las instalaciones y los equipos de control necesarios se realiza a partir de una información mucho más completa, que permite ajustar mejor las características de la instalación y su funcionamiento teórico al funcionamiento real. El control es esencial para garantizar las condiciones de confort y la acomodación de su funcionamiento al esquema y programa previsto.

Microcogeneración y su extensión a los barrios district heating Con la aplicación de la cogeneración a los edificios, conocida por microgeneración por la pequeña potencia de los motores o su extensión a la district heating se consigue suministrar calor para la calefacción y ACS, que a su vez pueden utilizarse para tener aire acondicionado, además de producir electricidad para el autoconsumo, o incluso su venta de una forma eficiente y económica. Se define como cogeneración a la producción conjunta, en proceso secuencial, de energía mecá-

nica o eléctrica y de energía térmica útil, a partir de la misma fuente de energía primaria. Normalmente, los sistemas de cogeneración se diseñan de modo que sean capaces de satisfacer la demanda térmica del consumidor, ya que en la mayor parte de los casos resulta inviable la compraventa de energía térmica a un agente económico externo. Por el contrario, sí se puede comprar energía eléctrica, e incluso venderla bajo ciertas condiciones. Si el sistema de cogeneración se diseña para satisfacer


las necesidades de trabajo del centro consumidor, prescindiéndose del apoyo de las compañías eléctricas, se dice que es de energía total. Las plantas de cogeneración son una solución eficiente por sí misma, ya que genera electricidad con el aprovechamiento de la energía de los gases y/o agua gases (aprovechamiento que no realiza una central térmica generadora de electricidad), no originando las pérdidas en su transporte, habitualmente del 7 al 10% en el sistema de transporte de nuestro país. Los sistemas de cogeneración han tenido mucho éxito en el sector industrial debido a la alta eficiencia energética, y en consecuencia también medioambiental, además tienen importantes incentivos. Las tecnologías empleadas son mediante motor alternativo de combustión interna y turbina de gas. De hecho, la potencia eléctrica instalada en sistemas de cogeneración para la industria ha crecido mucho en las últimas décadas produciendo grandes ahorros energéticos y económicos. Pero, en los países desarrollados, el potencial de la cogeneración en la industria ya ha sido explotado y por ello ahora los esfuerzos se dirigen a los edificios. Por ejemplo, en España menos del 5% de la potencia eléctrica instalada en cogeneración corresponde al sector residencial-comercial, lo que supone, considerando sus enormes consumos de agua caliente sanitaria, calefacción y climatización, desperdiciar un enorme potencial de ahorro. Tres de los motivos más frecuentes son: •

•

•

La presencia de múltiples usuarios de los servicios energéticos que piensan que el aprovisionamiento individual les ofrece mayor garantía. La baja capacitación técnica o ausencia de personal encargado de la gestión energética. La dificultad de establecer una configuración adecuada para la planta de servicios energéticos a causa de las grandes fluctuaciones temporales de los consumos.

Para aprovechar dicho potencial algunos países han promulgado decretos y tomado medidas que promueven el uso de la cogeneración y de la calefacción y refrigeración de distrito (district heating and cooling, DHC). En la Unión Europea, la Direc-

499

tiva 2002/91/CE relativa a la eficiencia energética de los edificios informa: “El sector de la vivienda y de los servicios, compuesto en su mayoría por edificios, absorbe más del 40% del consumo final de energía en la Comunidad y se encuentra en fase de expansión, tendencia que previsiblemente hará aumentar el consumo de energía y, por lo tanto, las emisiones de CO2”. Su artículo 5 impone: “En los edificios nuevos con una superficie útil total de más de 1.000 m2, los Estados miembros velarán por que la viabilidad técnica, medioambiental y económica de sistemas alternativos como la cogeneración y la calefacción o refrigeración central o urbana se tengan en cuenta antes de que se inicie la construcción”. Por otro lado, la Directiva 2004/8/ CE relativa al fomento de la cogeneración reconoce: “En la actualidad en la Comunidad está infrautilizado el potencial de la cogeneración como medida para ahorrar energía”.

MICROGENERACIÓN No solo las grandes plantas de cogeneración ofrecen oportunidades de inversión. Los incentivos actuales para plantas menores de 1 MW permiten este tipo de aplicaciones a pequeña escala. La microgeneración (hasta unos 500 kW), con microturbinas de gas (Figura 30.4), o micromotores de combustión, son aplicaciones que se han implantado con éxito en instalaciones del sector terciario como hospitales, hoteles, oficinas, y que pueden llevarse a cabo en edificios de viviendas. Ello se debe a que los microgeneradores cubren una gama de potencia adecuada para poder actuar como generadores a escala reducida, que se adaptan bien a las necesidades de este tipo de establecimientos, aportando rendimientos competitivos frente a los sistemas convencionales. El CTE exige la contribución solar mínima en el aporte energético de agua caliente sanitaria de toda nueva vivienda, si bien puede sustituirse por otros sistemas que usen fuentes renovables o procesos de cogeneración. De este modo según las condiciones de cada caso pueden estudiarse los sistemas de cogeneración o de captación solar, y determinar la mejor opción. La solución basada en un sistema de microcogeneración puede cubrir la generación de ACS, calefacción y frío, y reporta algunas ventajas respecto a los sistemas conven-

500


Figura 30.4. Microturbina para aplicación a microgeneración de hasta 65 kW de potencia.

cionales (calderas) y en muchos casos en los basados en colectores solares térmicos exclusivamente: •

•

•

•

Disponibilidad: la microgeneración no depende de la climatología y garantiza el suministro energético para ACS y calefacción, e incluso el eléctrico en los equipos que pueden funcionar como generadores de emergencia. Liberación de espacio en comparación con la solar térmica y los sistemas convencionales, pues tiene unas dimensiones reducidas y no necesita ocupar espacios de fachadas y tejados. Generación distribuida de la electricidad, se genera la electricidad cerca de donde se consume y por tanto no hay pérdidas de transporte. El aprovechamiento del calor, que no lo realizan la centrales eléctricas, y la generación de electricidad de manera eficiente reporta un ahorro de energía primaria, con la consiguiente disminución de emisiones.

Los sistemas utilizados son microturbinas y micromotores. Estos micromotores alternativos de combustión interna son muy variados y de todas las potencias. La diferencia en su aplicación a la cogeneración es su optimización en el rango de trabajo, ya que están diseñados para funcionar un elevado número de horas en continuo con la máxima eficiencia, por lo que se trata de buscar el régimen de funcionamiento que maximice el rendimiento eléctrico. El calor que disipan los circuitos de refrigeración y los gases de escape se recuperan para producir ACS que puede usarse también para climatización.

Las microturbinas de gas son máquinas de combustión basadas en el mismo principio que las turbinas convencionales pero simplificando los elementos mecánicos. El modo de funcionamiento de la microturbina no difiere mucho de una turbina convencional de gas. La diferencia principal se encuentra en el hecho de tener un ciclo de regeneración para mejorar el rendimiento eléctrico y a la ausencia de reductor para conectarse al alternador. Así las microturbinas generan energía alterna a frecuencia variable que se convierte a corriente continua, y mediante un inversor, parecido al que incorporan los sistemas fotovoltaicos, se convierte a corriente alterna trifásica que exigen las aplicaciones en baja tensión. Finalmente los gases de escape, a una temperatura aproximadamente de 300 ºC, permiten una recuperación para la producción de ACS, calefacción y frío. Los sistemas de trigeneración y microtrigeneración son aquellos que generan electricidad, calor y frío. La generación de frío para climatización permite alargar el periodo de operación al no ser coincidentes las demandas de frío y calor. La conversión del calor en frío se realiza mediante máquinas de absorción y es una excelente solución para la cogeneración en el sector terciario. Estos sistemas aportan ventajas como: •

• •

Sustitución de consumos de energía eléctrica, de elevado coste, por consumos de energía térmica, lo que permite un mayor dimensionamiento de la central. Aumento del número de horas de funcionamiento con alta eficiencia energética. Aumento de la versatilidad de la central, puesto que es posible generar frío, además de electricidad y calor.

501


•

No utilizar CFC, lo que las convierte en posibles sustitutos de las máquinas de compresión basadas en este tipo de fluidos refrigerantes.

Para la generación de frío a partir de calor se utiliza el ciclo de absorción integrado, basadas en BrLi para la climatización de edificios. En estas el BrLi actúa como absorbente y el agua como fluido refrigerante. En aplicaciones de climatización, para generación de agua fría del orden de 5 a 7 ºC, las máquinas de simple efecto permiten conseguir un COP de aproximadamente 0,7. Los sistemas de microgeneración tienen rendimientos de generación de electricidad inferiores a los equipos de mayor tamaño, lo que se traduce en una mayor capacidad de recuperación térmica. La Tabla 30.1 presenta los valores típicos de eficiencia según tecnologías y tamaño. Centrándose en la microgeneración, si se comparan ambas tecnologías para una misma potencia eléctrica unitaria, la microturbina tiene un rendimiento eléctrico menor que el micromotor (en torno al 30% frente al 35%), pero queda compensado con la recuperación térmica cuando se comparan sus rendimientos globales. Todo depende de las necesidades del edificio. Por otra parte, cabe destacar que la ausencia de aceites lubricantes, sistemas auxiliares para el arranque y la refrigeración y una única parte móvil, hacen que su fiabilidad sea superior y sus costes de mantenimiento inferiores. En cada caso se debe escoger la tecnología más apropiada en función de la potencia y del modo de operación. La microgeneración está llegando al límite mínimo de tamaño, con un sistema que puede cubrir la demanda típica de una vivienda unifamiliar, tanto de electricidad como calefacción y ACS. Comer-

cialmente se podría vender como una caldera para la calefacción de la vivienda que además produce electricidad. Este sistema, que está en el mercado, es además modular lo que permite, conectando varios módulos, diferentes configuraciones para satisfacer las demandas eléctricas y térmicas de una gran variedad de instalaciones: edificios de viviendas, oficinas, hoteles, residencias de ancianos y hospitales, entre otros. El sistema básico consta de la unidad de cogeneración, que genera electricidad, un depósito de almacenamiento y un condensador para recuperar el calor latente en los gases de evacuación (Figura 30.5). El sistema de refrigeración del motor recupera el calor generado en el proceso, con el mismo rendimiento térmico que un quemador de una caldera para la calefacción y ACS de una vivienda.

Figura 30.5. Sistema de microgeneración para cubrir la demanda de una vivienda unifamiliar con 5,5 kW eléctricos y 14,8kW térmicos, constituido por: caldera de cogeneración Dachs, un depósito de almacenamiento intermedio de 750 litros y un condensador para recuperar el calor latente en los gases de evacuación.

Tabla 30.1. Valores típicos de eficiencia de cogeneración según tecnologías y tamaño. >

Rendimiento eléctrico W/F (%)

Eficiencia cogeneración (W+Q)/F (%)

Relación W/Q

Tamaño instalación (MW)

Turbina de gas en ciclo simple

30-40

75-80

0,6-1

5-50

Turbina de gas en ciclo combinado

35-50

80

0,8-1,6

7-60

Turbina de vapor contrapresión

5-14

75-90

0,04-0,16

1-20

Motores alternativos de combustión

35-45

75

1,1-1,5

1-25

Micromotores

25-35

75

0,5-0,9

0,01-0,4

25-30

75

0,5-0,67

0,03-0,2

Microturbinas W= electricidad producida

Q= calor producido

F= energía del combustible consumido

502


La legislación es favorable a la microcogeneración. El 1 de junio de 2007 entró en vigor el RD 661/2007 por el que se regula la actividad de producción de electricidad en el Régimen Especial. Este otorga diferentes precios a la electricidad vertida a la red en función de los siguientes parámetros: eficiencia energética, tipo de combustible y rango de potencia, y dentro de los combustibles de GN, GLP para el rango de centrales de menos de 1 MW eléctrico (Tabla 30.2). Aunque estos valores se revisan cada trimestre, dan una referencia de las ventajosas tarifas a que puede acogerse la microgeneración. Cabe significar adicionalmente que en el Plan de Acción 2008-2012 de la Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España, se contemplan ayudas a fondo perdido del 10 al 30%, dependiendo de la potencia, para la ejecución de plantas de cogeneración en el sector de la edificación. Todas las cogeneraciones del grupo a.1, deben cumplir una alta eficiencia energética, como se describe en el anexo I del RD 661/2007. Esta eficiencia implica el cumplimiento del REE (rendimiento eléctrico equivalente). Para turbinas de gas de menos de 1 MW, el valor es de 53,1%, y para los motores del mismo rango de potencia, es de 49,5%. El IDAE ha realizado recientemente un estudio sobre el potencial de cogeneración de alta eficiencia en España con previsiones hasta 2020, en el cual se han incluido los sectores terciario y residencial. Actualmente en estos dos sectores el potencial instalable es de 6.400 MW (eléctricos) con un potencial de ahorro en energía primaria del orden de 9.900 GWh anuales. No obstante las instalaciones en la actualidad son muy reducidas, concentrándose casi la totalidad en actividades industriales. La evolución del potencial puede alcanzar los 8.025 MW en 2010, los 9.440 en 2015, y 9.703 en 2020.

Estas proyecciones, junto a los incentivos legislativos para las plantas menores de 1 MW, generan una expectativa de negocio, tanto para el usuario que decide instalar una microgeneración como para compañías de servicios energéticos que pueden ser los propietarios de la instalación y vender la energía térmica en forma de agua caliente para calefacción y ACS y/o agua fría para climatización, funcionando como las compañías de gas o electricidad. Sin embargo uno de los problemas de la microgeneración, a pesar de su baja potencia, es que obliga a los propietarios a darse de alta como generador de electricidad, que junto a la correspondiente conexión a la red, comporta muchos problemas burocráticos. Por esto, la mayoría de instalaciones se gestionan mediante un gestor energético o una empresa especializada, a pesar de un ahorro de entre el 20 y 30% de energía y de más del 30% de emisiones. La microcogeneración se diferencia de la industrial, no solo en términos de potencia, sino en optar por una modularidad en los equipos. El hecho de disponer de una planta con varios módulos generadores de pequeña potencia permite ajustarse a las variaciones de demanda en función de la época del año y así trabajar con los equipos a plena carga y máximo rendimiento. De este modo, en una planta de climatización de 1 MW, en la industria se utilizaría un generador de 1 MW, mientras que en el sector terciario se podrían utilizar tres motores de 330 kW o cinco microturbinas de 200 kW. El funcionamiento de la microgeneración sin recuperación de calor para el ACS, calefacción o frío, no es rentable. Las horas de utilización son el parámetro fundamental para rentabilizar una instalación de cogeneración. Por eso el problema principal a la hora de dimensionar una cogeneración es la temporalidad de la demanda. Las demandas de tipo calefacción

Tabla 30.2. Tarifas de cogeneración de algunas instalaciones de baja potencia. Grupo

Subgrupo a.1.1

a1 a.1.2

Combustible

Potencia

Tarifa Regulada c€/kWh

Gas natural

P ≤ 0,5 MW

12,1533

0,5 < P ≤ 1 MW

9,9729

P ≤ 0,5 MW

14,315

0,5 < P ≤ 1 MW

12,1826

Gasóleo/GLP

Cada trimestre hay revisión de tarifas basándose en el precio de venta del gas a cogeneraciones y del IPC.


y ACS están a expensas de los valores climatológicos. Para obtener el dimensionamiento que garantice la mayor cantidad de horas de trabajo anual es necesario contemplar sistemas de acumulación térmica. Estos permitirían trabajar a los sistemas de microgeneración en horas en que hay poca demanda acumulando energía para revertirla en los momentos de demanda de energía en horas punta. Así pues la viabilidad económica de estos sistemas queda garantizada cuando la producción simultánea de trabajo y calor, sobre todo la de calor, está respaldada por una demanda efectiva durante muchas horas al cabo del año. Si el factor de utilización de los módulos de cogeneración es alto, se obtendrán grandes ahorros económicos y cortos periodos de recuperación de la inversión. Esto ocurre en las instalaciones ubicadas en lugares de clima frío que demandan calor durante un gran número de horas al año para suministro de servicios de calefacción y agua caliente sanitaria. Por el contrario, en lugares de clima templado la demanda de calor es pequeña, se concentra en pocos meses y el ahorro económico es bajo, pues solo quedan dos opciones malas: a) un corto periodo anual de funcionamiento del motor, limitado por el aprovechamiento del calor residual, que dificulta recuperar la inversión con ahorro, o por contra b) un elevado despilfarro de calor, limitado por la condición legal de autogenerador, que solo resultará económico bajo condiciones extraordinarias de precios de combustibles y electricidad. Una posible alternativa en estos casos es recurrir a la trigeneración. El calor cogenerado se emplea en el verano para cubrir la demanda de aire acondicionado mediante enfriadoras de absorción incorporadas a las instalaciones de cogeneración.

EL DISTRICT HEATING Se denomina district heating a sistemas de cogeneración que atienden a grandes edificios (centros comerciales, hospitales, hoteles, etc.) y urbanizaciones, y están diseñados para satisfacer sus demandas de electricidad, agua caliente sanitaria y calefacción. Con ellos se obtienen grandes ahorros de energía, a la par que una alta rentabilidad económica. En la Figura 30.6 se muestra un motor en cuyo extremo está el alternador que genera la electricidad. A igual que con la microgeneración para

503

edificios, debe prestarse una gran atención tanto a su dimensionado correcto como a las estrategias de operación a emplear. Una manera de abordar el problema es recurrir a programas complejos de optimización numérica, pero también resulta útil una aproximación analítica.

Figura 30.6. Motor alternativo de combustión interna a gas para cogeneración de 1,09 MW.

Para caracterizar los sistemas de cogeneración se deben definir un conjunto de parámetros que permitan: • • •

Valorar las oportunidades de inversión. Seleccionar el sistema más adecuado. Optimizar su operación una vez instalado.

La mayor parte de las instalaciones de cogeneración en grandes edificios y urbanizaciones utilizan motores de gas y algunas de ellas turbinas de gas. Las turbinas de vapor, microturbinas de gas, pilas de combustible y otros equipos de producción eléctrica tienen una participación mucho menor. El máximo rendimiento energético de un módulo de cogeneración está limitado por la cantidad de calor recuperable del motor pero también por el nivel de temperatura requerido (“calidad” del calor). El sistema de recuperación se configurará teniendo en cuenta las características de la demanda de calor y la conveniencia de utilizar uno o varios niveles térmicos. La demanda energética de los edificios tiene las características siguientes: •

Consumo de varias formas de energía (electricidad, calor, etc.) para atender los diferentes servicios (climatización, ACS, iluminación, electrodomésticos, ofimática, etc.).

504 •

•


Concentración de la demanda de determinados servicios (climatización y calefacción) en algunos meses del año. Fuerte variación temporal de los consumos por factores ambientales y de ocupación.

Es importante disponer de información lo más completa posible sobre la demanda energética para conseguir el mejor diseño de la planta de servicios. Existen distintos modos de presentar los datos de demanda: •

•

•

Utilizando valores puntuales que caracterizan la potencia máxima y el consumo específico anual, por ejemplo, 0,2 kW/m2 y 50 kWh/m2 año. Mediante curvas de duración anual de la demanda, conocidas también como curvas monótonas de demanda, Figura 30.6. Consumos “hora-por-hora” a lo largo del año.

El primer modo aporta muy poca información y sirve únicamente en caso de instalaciones simples sobre las que se dispone de gran experiencia. El segundo modo, que es el que se presenta en la Figura 30.7, sirve para tomar decisiones sobre qué tipo de equipos emplear para satisfacer la demanda (y la capacidad a instalar y el número de motores) y para valorar distintas estrategias de operación. El tercer modo aporta sin duda la información más completa pero en muchos casos resulta difícil de conseguir y no permite un análisis generalizado.

Figura 30.7. Curvas monótonas de demanda de energía.

Una vez conocida o diseñada la curva de demanda se debe determinar: la potencia eléctrica a

instalar y en cuántos módulos y la política a seguir para operar el sistema. Estas decisiones van ligadas. En cuanto a la política existen dos posiciones extremas de operación: • •

Operar a plena carga los módulos de cogeneración instalados. Ajustar la carga de operación de los módulos a la demanda de calor.

En la segunda, el grado de aprovechamiento del calor será máximo pero el factor de utilización del motor quedará limitado. En la primera el factor de utilización podrá aumentarse, dentro de ciertos límites, pero a costa de un menor aprovechamiento del calor cogenerado. La toma de partido por una u otra opción no solo depende de factores económicos y normativos sino también de criterios como la facilidad de operación, la programación del mantenimiento de los motores, etc. Por otro lado, debe tenerse en cuenta que los precios de compra y venta de la energía eléctrica son variables, por ello se precisa un estudio económico complementario. Habitualmente, según la evaluación del ahorro económico anual, se llega a una situación en que el precio de la electricidad que se autoconsume ya compensa el coste del combustible utilizado para producirla, aunque se despilfarre todo el calor cogenerado. Por tanto, en esta situación, la operación del motor a plena carga y el máximo tiempo posible resulta lo más adecuado, y el límite se tiene cuando hay que vender energía a la red a un precio más bajo. En cada caso debe ponderarse la solución elegida, si bien acostumbra a ser una buena praxis el conjugar una alta cobertura (~80%), con la condición de rendimiento equivalente, junto con un factor de utilización razonable (~60%). En conclusión, los criterios tradicionales (ahorro de energía, rendimiento, ahorro económico, etc.) en cogeneración industrial se calculan fácilmente, dada la operación regular de los equipos a carga nominal. Estos también pueden estimarse en cogeneración para edificios, a partir de las características técnicas y económicas de los módulos de cogeneración a emplear y de las curvas monótonas de demanda de calor facilitarán la decisión sobre qué capacidad instalar, en cuántos módulos y la estrategia de operación a emplear.

Domótica

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LA DOMÓTICA SIEMPRE PERMITE UN AHORRO DE ENERGÍA EN UNA VIVIENDA Y SU COSTE PUEDE SER MUY VARIABLE EN FUNCIÓN DE LAS MUCHAS APLICACIONES QUE INCORPORE •

•

•

•

• • •

La domótica se define como el conjunto de las aplicaciones de la automatización de las actividades realizadas en la vivienda, incluida la gestión de la energía, el agua, las comunicaciones y los sistemas de seguridad. La domótica está enfocada en gran medida hacia el ahorro de consumo energético y el aprovechamiento óptimo, económico y racional de la energía necesaria para el funcionamiento del edificio o vivienda. Una vivienda es domótica si en ella hay agrupaciones automatizadas de equipos, normalmente asociados por funciones, que tienen la capacidad de comunicarse interactivamente entre sí a través de un bus doméstico multimedia, que los integra. El ahorro energético que resulta de la gestión domótica de un edificio es de un 10%, que puede llegar hasta un 50% si no se realizaba ningún control. Sin embargo la gestión domótica no sustituye ni corrige el que los equipos no sean eficientes. En iluminación se realizan múltiples aplicaciones: apagado por control de presencia o en el exterior por control de la luz solar, disminución de su intensidad, de una o varias zonas o todo el edificio, en climatización, regulando las temperaturas tanto de las distintas zonas, como de los equipos, en ACS, regulando cantidad y temperatura del agua, presencia, etc.; en seguridad, con detección de presencia, luces interiores y exteriores, cierre de puertas y ventanas, control de videocámaras, control de fuego, transmisión de información… La arquitectura domótica puede ser centralizada, distribuida o mixta en función de dónde se sitúen los centros de gestión, independientemente de cómo sean los sistemas de detección. Los medios de interconexión son múltiples, alámbricos (xDSL, fibra óptica), inalámbricos (Wifi, GPRS, Bluetooth, radiofrecuencia, infrarrojos) o por cable. Los estándares más conocidos de los sistemas domóticos son: KNX/EIB, X10, ZigBee, OSG, LonWoks, UPnP, EIBUS…

Introducción La domótica se define como el conjunto de las aplicaciones de la automatización de las activida-

des realizadas en la vivienda, incluida la gestión de la energía, el agua, las comunicaciones y los

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sistemas de seguridad. El diseño de una instalación domótica está enfocado en gran medida hacia el ahorro de consumo energético y el aprovechamiento óptimo, económico y racional de la energía necesaria para el funcionamiento del edificio o vivienda. La domótica gestiona los elementos de control, permitiendo una disminución del consumo de energía. Como consecuencia, la domótica permite una mayor calidad de vida, reduce el trabajo doméstico, aumenta el bienestar y la seguridad y racionaliza el consumo de energía.

Actualmente, existen en el mercado gran variedad de sistemas domóticos fácilmente instalables en cualquier tipo de vivienda: protección oficial, libre, ya construida, de nueva construcción, unifamiliares aisladas, adosadas o en bloque. La domótica pone una tecnología al servicio de los requerimientos de cada proyecto, con una solución a medida que satisfaga las necesidades del hogar y se adapte al modo de vida del usuario.

La domótica en la vivienda Se considera que una vivienda es domótica si en ella hay agrupaciones automatizadas de equipos, normalmente asociados por funciones, que tienen la capacidad de comunicarse interactivamente entre sí a través de un bus doméstico multimedia, que los integra. Se debe dejar claro que una vivienda con automatismos, como, por ejemplo, con una persiana que se abre y se cierra mediante un mando a distancia, no se puede considerar una vivienda domótica. Las principales aplicaciones de la domótica son: • • • •

Confort. Gestión de la energía. Seguridad. Comunicaciones.

Si se habla de construcción sostenible, la aplicación más interesante que se puede encontrar de la domótica es la gestión de la energía. Normalmente se considera que el ahorro energético que resulta de controlar automáticamente su gestión es de un 10% aproximadamente. Sin embargo cabe matizar que si un usuario ya gestionaba correctamente la energía, prácticamente no notará la diferencia de consumo al hacer una instalación domótica; en cambio, si derrochaba mucho la energía puede notar un ahorro de más de un 50%. Cabe tener en cuenta que la domótica no incrementa el grado de eficiencia de los aparatos de climatización o de las lámparas, sencillamente es equivalente a tener a una persona que se preocupa de que no queden ventanas abiertas con la climatización funcionando, que la temperatura sea la óptima para adquirir

un compromiso entre confort y consumo, que no queden luces encendidas de forma innecesaria o que se bajen las persianas cuando hay excesiva incidencia de la radiación solar en verano. Las aplicaciones de la domótica en el campo de la gestión de la energía son muy diversas y las más adecuadas dependerán de las características de cada vivienda, pero siempre tienen que ir ligadas a otros factores, como la eficiencia de las instalaciones o la adecuada construcción del edificio, si se quiere hablar de vivienda sostenible. Probablemente uno de los escudos que encuentra la domótica a la hora de implantarse en las viviendas es el desconocimiento que hay sobre el tema. La mayoría de promotores y técnicos desconocen si una instalación domótica les permitirá utilizar los electrodomésticos habituales, si complicará excesivamente las instalaciones del edificio o, sencillamente, si encarecerá mucho el precio final de la vivienda. La respuesta es sí y no en todos los casos. Hay sistemas que tan solo se comunican con elementos “inteligentes” e incluso los interruptores de las luces tienen que ser especiales. Hay algunos que se adaptan a todos los dispositivos estándares de las viviendas; hay otros que implican una cantidad de cableado muy grande, y otros que utilizan muy poco cableado o incluso no tienen hilos. Algunas instalaciones pueden resultar muy caras, pero también se pueden hacer aplicaciones interesantes por menos de 1.000 €. Todo depende de las aplicaciones que se quieran hacer y de lo que se esté dispuesto a pagar. Así, en sus diferentes áreas de acción cabe distinguir:

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Domótica

Iluminación

Apagado general: mediante una simple pulsación, el usuario puede apagar una zona o todas las luces del edificio o vivienda. Por otra parte, los detectores de movimiento consiguen que las luces no estén encendidas más tiempo del necesario. En el caso del alumbrado exterior, los sensores de iluminación regirán el encendido o apagado del mismo. Asimismo, la regulación constante de la iluminación en zonas de mayor tránsito evita el ciclo de encendido y apagado de la iluminación fluorescente. Es posible lograr un ahorro de energía de hasta un 75% en iluminación llevando a cabo un control de luz por medio de sensores de luminosidad y presencia. Temperatura/Climatización

Mediante el control individualizado por zonas y estableciendo perfiles de temperatura individuales se puede alcanzar un ahorro de energía de más de un 30% al año. De la misma manera, el sistema permite acondicionar aquellas zonas que se estén utilizando y dejar el resto a una temperatura de ahorro. Una gestión inteligente de persianas y toldos ayuda a reducir sensiblemente el consumo de la climatización. La energía solar térmica

Es una energía limpia y ecológica. Con su uso se consigue un importante ahorro energético. El aprovechamiento de la energía solar se puede aplicar a la obtención de calor: agua caliente sanitaria de una vivienda, suelo radiante (para vivienda o calentar agua de piscina). Energía solar fotovoltaica

Generación de electricidad, ya sea para uso propio o para la venta. En caso de venta íntegra a empresas eléctricas es imprescindible recurrir a la domótica para la conexión a la red eléctrica pública. El sistema básicamente se compone de placas solares y un generador fotovoltaico. Agua

La grifería domótica promueve el ahorro del consumo de agua, empleando solo la cantidad ne-

cesaria de la misma. Para ello, utiliza los siguientes mecanismos: •

•

•

•

Detección de presencia. Los grifos se abren y cierran gracias a una electroválvula conectada a un sensor. Temporizador. El agua deja de salir cuando vuelve a pasar la mano por delante del mismo o cuando transcurre la duración programada. Control de temperatura. Se consigue la temperatura deseada de manera precisa, sin necesidad de hacer una regulación manual, con el gasto de agua adicional que esta regulación supone. Contador de consumo de agua. Limitación de caudal. Detección de fugas.

Mediante la utilización de este tipo de grifería, se puede llegar a conseguir hasta un 40% de ahorro en consumo de agua. En la Figura 31.1 se han esquematizado algunas de las múltiples aplicaciones de la domótica en las viviendas y edificios. La domótica se puede aplicar a los aspectos de seguridad del edificio, protección patrimonial, gestionando aspectos como: • • • •

Simulación de presencia. Detección de conatos de incendio, fugas de gas, escapes de agua. Cerramiento de persianas. Acceso a cámaras IP.

Muchos de estos aspectos están reflejados en la Figura 31.1. En el ámbito de las comunicaciones, la domótica tiene aplicaciones como: •

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Ubicuidad en el control tanto externo como interno, control remoto desde Internet, PC, mandos inalámbricos (por ejemplo, PDA con WiFi), aparellaje eléctrico. Transmisión de alarmas. Intercomunicaciones. Alerta médica. Teleasistencia.

En suma, la domótica tiene muchas aplicaciones, pues es un medio de integrar todos los automatismos que se pueden idear en un edificio y gestionarlo físicamente desde el mismo edificio o en otro lugar muy alejado.

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Figura 31.1. Aplicaciones de la domótica a la gestión y control informático de la vivienda y de un edificio.

Arquitectura del sistema domótico, medios de interconexión y estándares Desde el punto de vista de donde reside la inteligencia del sistema domótico, se consideran varias arquitecturas diferentes: •

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Arquitectura centralizada: un controlador centralizado recibe información de múltiples sensores y, una vez procesada, genera las órdenes oportunas para los actuadores. Arquitectura distribuida: toda la inteligencia del sistema está distribuida por todos los módulos sean sensores o actuadores. Suele ser típico de los sistemas de cableado en bus, o redes inalámbricas. Arquitectura mixta: sistemas con arquitectura descentralizada en cuanto a que disponen de varios pequeños dispositivos capaces de adquirir y procesar la información de múltiples sensores y transmitirlos al resto de dispositivos distribuidos por la vivienda, por ejemplo, aquellos sistemas basados en ZigBee y totalmente inalámbricos.

Los medios de interconexión de un sistema domótico son muy numerosos: • • •

Alámbricos: xDSL, fibra óptica. Cable: coaxial y par trenzado. Inalámbricos: WiFi, GPRS, Bluetooth, radiofrecuencia, infrarrojos, ZigBee, etc.

Los estándares de los sistemas domóticos más conocidos son: •

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KNX/EIB: Es el bus de instalación europeo con más de veinte años y más de 100 fabricantes de productos compatibles entre sí. X10: Protocolo de comunicaciones para el control remoto de dispositivos eléctricos, hace uso de los enchufes eléctricos, sin necesidad de nuevo cableado. Tiene poca fiabilidad frente a ruidos eléctricos, si los hay. ZigBee: Protocolo estándar, recogido en el IEEE 802.15.4, de comunicaciones inalám-

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Domótica

brico. ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radios digitales de bajo consumo. Su objetivo son las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías. En principio, el ámbito donde se prevé que esta tecnología cobre más fuerza es precisamente en domótica. La razón de ello son diversas características que lo diferencian de otras tecnologías: — Su bajo consumo. — Su topología de red en malla. — Su fácil integración (se pueden fabricar nodos con muy poca electrónica). •

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El ZigBee es muy similar al Bluetooth pero con algunas diferencias: menor consumo, menor velocidad de transferencia de datos y una red con posibilidad de muchos más nodos. OSGi: Open Services Gateway Initiative. Especificaciones abiertas de software que permiten diseñar plataformas compatibles que puedan proporcionar múltiples servicios. No define medio físico o hardware sino software. Permite la compartición de los servicios, el manejo de datos, recursos

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y dispositivos, el acceso de clientes y la seguridad. Sus aplicaciones se extienden a todos los campos: climatización, seguridad, teleasistencia, compra automatizada, control iluminación, control persianas, alarmas de fuego, gas, inundación, gestión de la energía, portero domótico, riego, monitorización remota, etc., también admite contenidos a la carta: vídeo, audio, juegos en red, EPG (electronic program guide), tienda en casa. banca en casa, internet TV, apuestas on line, publicidad interactiva, teleeducación, Internet, videoconferencias, mensajería, chat, etc. LonWoks: Plataforma estandarizada para el control de edificios, viviendas, industria y transporte. Universal Plung and Play (UPnP): Arquitectura software abierta y distribuida que permite el intercambio de información y datos a los dispositivos conectados a una red. EIBUS: siglas de bus de instalación europeo, sistema que permite gobernar todas las funciones a través de una única línea de bus existente de forma directa sin necesidad de central. Sistema descentralizado en que cada dispositivo conectado tiene su propio control.

Arquitectura bioclimática

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LA CASA BIOCLIMÁTICA UTILIZA Y POTENCIA LOS ELEMENTOS ARQUITECTÓNICOS DE SIEMPRE PARA INCREMENTAR EL RENDIMIENTO ENERGÉTICO Y CONSEGUIR CONFORT DE FORMA NATURAL • •

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Una construcción bioclimática reduce la energía consumida y, por tanto, colabora de forma importante en la reducción de los problemas ecológicos. Los principales objetivos son: calidad del ambiente interior (adecuada temperatura, humedad, movimiento y calidad del aire); minimizar los efectos de los edificios sobre el entorno (residuos domésticos, aprovechamiento de las aguas sucias, almacenamiento del agua de lluvia, minimizar las emisiones gaseosas, el impacto que produzca el asentamiento, exceso de población, vías de acceso, aparcamientos); minimizar los consumos que afectan al desarrollo sostenible (disminuir el gasto de agua e iluminación, o de otras materias primas por encima de su capacidad de renovación, economizar al consumo de combustibles con reducción entre un 50-70% sobre el consumo normal). Los sistemas pasivos de la arquitectura bioclimática se fundamentan en el control de las variables climáticas en el interior de las edificaciones mediante el uso de formas y materiales, incidiendo en la radiación solar y utilizando los aislamientos y la inercia térmica de los materiales como sistemas de control y amortiguamiento térmico. Los sistemas activos, por el contrario, aplican directamente las nuevas tecnologías de aprovechamiento de las energías renovables, como la solar, la eólica o la biomasa para la obtención de agua caliente sanitaria, calefacción, o electricidad. Los elementos básicos de la arquitectura solar pasiva son: acristalamiento, que capta la energía solar y conduce el calor al interior, y la masa térmica, de los elementos estructurales del edificio o por algún material acumulador específico como agua, muro de piedras, que tiene como misión almacenar la energía captada y redistribuirla con desfase en el tiempo. Una vivienda bioclimática puede suponer un 10% de sobrecoste en el valor de la edificación, pero el ahorro energético es sin duda espectacular, llegando al 70 u 80% durante el tiempo de utilización. En el futuro se prevé que este coste se reduzca aún más. La ubicación o situación (altura relativa, pendiente, dirección), si se puede elegir, es muy importante, pues los factores microclimáticos son muchas veces los más importantes para el confort. Hay que contar con las correcciones del entorno, como supresión o incorporación de vegetación o de agua, o incluso los mismos edificios pueden alterar significativamente el microclima local. Los aspectos que afectan directamente al ambiente interior del edificio son: forma general del edificio (posibilidad de recibir radiación, vientos, etc.), el tratamiento de la piel del edificio (ba-

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rreras y conectores del intercambio interior-exterior) y las características del interior del edificio que realizan el reparto y transferencia de energía y dan estabilidad en el tiempo. Los componentes o sistemas energéticos de un edificio son: sistemas contra el frío (captación solar...), contra el calor (ventilación, protección de la radiación…) y de iluminación (ventanas, claraboyas). Todos pueden corregirse con elementos como: captadores (directos, indirectos...), sistemas inerciales, ventilación cruzada, efecto chimenea, torres de viento…, umbráculos, aleros, lamas, vidrios reflectantes, etc. El diseño bioclimático puede realizarse siguiendo una sistemática, y analizando y ponderando: orientación, pendiente, altura, forma del edificio (altura, compacidad, porosidad, esbeltez), piel del edificio (asentamiento, adosamiento, pesantez, perforación, transparencia, aislamiento, textura, color), ventilación y tratamiento del aire (captación solar, compartimentación interior, textura, geometría, conexión, peso, color) y obstrucciones (sólidas, vegetales, presencia del agua…). La arquitectura bioclimática, aunque con un impacto mediático cada vez más extendido, sigue teniendo un peso real insignificante dentro de la producción arquitectónica mundial. En España, su desarrollo se encuentra limitado a las escasas iniciativas de promoción pública y a sectores muy aislados. El proyecto PSE-ARFRISOL constituye una síntesis de la arquitectura bioclimática y la aplicación de las EE RR, cuyo objetivo final es el cambio de mentalidad de los ciudadanos sobre las grandes posibilidades de ahorro energético en los edificios. La aplicación real de las directrices de reducción de las emisiones de dióxido de carbono (93/76/ CEE) llevada al sector de la construcción, producirá seguramente los ajustes necesarios para promocionar de forma estable y sostenida los edificios concebidos para conseguir una alta eficiencia energética. La implantación de la bioclimática se realizará en diferentes estadios: primero en edificios en los que se busque una gran eficiencia energética durante su vida útil, después aquellos que tengan en cuenta su ciclo de vida desde su construcción hasta su derribo y por último los que además se adecuen totalmente al medio. A primeros de 2008 se aprobó el Plan de Contratación Pública Verde de la Administración General del Estado (AGE). Trata de implantar prácticas respetuosas con el medio ambiente en la contratación pública, de forma que se llegue en 2010 a la meta fijada por la Unión Europea en la estrategia revisada para un desarrollo sostenible. El Plan hace suyo el objetivo del Plan de Ahorro y Eficiencia Energética de lograr un ahorro energético del 9% en 2010 y el 20% en 2016, y añade el de conseguir un ahorro de agua del 20%. El uso de las EE RR en España se halla unos 4,5 puntos porcentuales por debajo de la media de la UE-25, cuando las posibilidades de las renovables en España son muy elevadas debido a su favorable latitud. El consumo eléctrico en los hogares españoles es inferior a la media de los de la UE-25. El consumo de gas natural también es inferior en España, no obstante, en los últimos años está diferencia se esta acortando. España es uno de los países europeos que más radiación solar recibe por unidad de superficie a lo largo del año. El aprovechamiento de esta es de sumo interés por el ahorro energético, rentabilidad económica, reducción de nuestra grave dependencia energética del exterior, así como de la utilización de los recursos propios. La radiación solar puede aprovecharse por captación térmica solar y fotovoltaica. La principal aplicación de la captación de la radiación solar es la producción del agua caliente sanitaria. También es un complemento de apoyo de la calefacción y de sistemas de refrigeración. En cualquier caso las instalaciones de energía solar necesitan un apoyo de sistemas convencionales de producción de agua caliente con calderas de gas, gasóleo, etc. La calefacción por suelo radiante es un sistema de calefacción a baja temperatura, lo que permite usar energías alternativas, como colectores solares, aunque necesita de una bomba de calor o caldera de apoyo.


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También puede utilizarse la energía solar para enfriamiento de recintos o acondicionamiento de aire con una instalación de absorción, en la que hay una buena relación entre el suministro de energía y la demanda de enfriamiento. La energía solar fotovoltaica se basa en el efecto voltaico que convierte la energía de la radiación solar en eléctrica en cada una de las células fotovoltaicas. Agrupándolas convenientemente se obtienen los paneles fotovoltaicos. Estos permiten desde pequeñas instalaciones autónomas, hasta centrales productoras de electricidad conectadas a la red. La biomasa en un sector en expansión, con sistemas muy evolucionados y eficientes. Como combustible tiene la ventaja de ser muy seguro, no explota, aunque ocupa más espació que los fósiles y produce cenizas. Supone un balance neutro de emisión de CO2. Existen muchos modelos de calderas, para grandes edificios y viviendas unifamiliares, con alimentación continua, rendimientos del 90% y con sistemas de compactación de las cenizas. En la edificación la energía minieólica está en fase de desarrollo, con un elevado coste de producción del kilovatio. Las máquinas son de baja o muy baja potencia, inferior a los 10 kW. Se usan para el bombeo de agua y con minigeneradores para producción de energía eléctrica, normalmente formando conjuntos mixtos eólico-fotovoltaicos o incluso con motores diesel. Los sistemas habituales de climatización de edificios usan unidades de refrigeración/calefacción, o bombas de calor, situadas en techos o terrazas que funcionan mediante la cesión o extracción de calor del propio aire ambiente. En contraposición, en los sistemas geotérmicos, se extrae o cede calor al suelo que rodea el edificio mediante un circuito de agua enterrado. El suelo, debido a su gran capacidad térmica, puede servir como fuente o sumidero de calor, ofreciendo a la bomba de calor u otro elemento, condiciones de trabajo relativamente constantes, especialmente en zonas de geotermia favorable. En España esta tecnología está iniciando su desarrollo, mientras que en EE UU y norte de Europa ha sido ampliamente utilizada.

Introducción La arquitectura bioclimática es la que tiene en cuenta el clima y las condiciones del entorno para ayudar a conseguir el confort térmico interior de la vivienda. Juega exclusivamente con el diseño y los elementos arquitectónicos, sin utilizar sistemas mecánicos, que son considerados como sistemas de apoyo. Se puede decir que gran parte de la arquitectura tradicional funciona según los principios bioclimáticos, en el tiempo en que las posibilidades de climatización artificial eran escasas y caras. Los ventanales orientados al sur (en el norte de España), el uso de ciertos materiales con determinadas propiedades térmicas, como la madera o el adobe, el abrigo del suelo, el encalado de las casas andaluzas, la ubicación de los pueblos... no es por casualidad, sino que cumplen una función específica. Una casa bioclimática no tiene por qué ser más cara o más barata, más fea o más bonita, que una convencional. La casa bioclimática no necesita de la compra y/o instalación de sistemas mecánicos de climatización, sino que juega con los elemen-

tos arquitectónicos de siempre para incrementar el rendimiento energético y conseguir confort de forma natural. Para ello, el diseño bioclimático supone un conjunto de restricciones, pero siguen existiendo grados de libertad para el diseño según el gusto de cada cual. La Figura 32.1 muestra un ejemplo de ello.

Figura 32.1. Ejemplo de casa bioclimática.

Una construcción bioclimática reduce la energía consumida y, por tanto, colabora de forma impor-

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tante en la reducción de los problemas ecológicos que se derivan de ello, pues alrededor del 30% del consumo de energía primaria en los países industrializados se debe al sector de la edificación. A pesar de las esporádicas campañas de concienciación, la mayor parte de la publicidad se esfuerza en asociar el ahorro energético con incomodidad y bajo nivel de vida, y el consumo y derroche con el buen vivir y el prestigio. El resultado de todo ello es que muchos ciudadanos tienen la idea de que ahorro es sinónimo de privación. La realidad

es, sin embargo, que en la sociedad de consumo, este debe incentivarse para que el engranaje siga funcionando. No es posible que las compañías de suministro energético estén interesadas en nuevas tecnologías de ahorro energético, ni los fabricantes de sistemas de climatización en sistemas alternativos que desbanquen su tecnología. Los arquitectos y constructores tampoco se han preocupado cuando el negocio ha ido bien, y el consumidor, que no tiene información al respecto, no puede demandar productos alternativos que no conoce.

Objetivos de la arquitectura bioclimática La arquitectura bioclimática es, en definitiva, una arquitectura adaptada al medio ambiente, sensible al impacto que provoca en la naturaleza, y que intenta minimizar el consumo energético y, con él, la contaminación ambiental. Es un nuevo tipo de arquitectura donde el equilibrio y la armonía son una constante con el medio ambiente. Busca lograr un gran nivel de confort térmico. Tiene en cuenta el clima y las condiciones del entorno para ayudar a conseguir el confort térmico interior mediante la adecuación del diseño, la geometría, la orientación y la construcción del edificio adaptado a las condiciones climáticas de su entorno. Juega exclusivamente con el diseño y los elementos arquitectónicos, sin utilizar sistemas mecánicos, que más bien se consideran como sistemas de apoyo. También tiene en cuenta las condiciones del terreno, el recorrido del sol, las corrientes de aire, etc., aplicando estos aspectos a la distribución de los espacios, la apertura y orientación de las ventanas..., con el fin de conseguir una eficiencia energética. Sin embargo, todo ello no tiene por qué condicionar el aspecto de la construcción, que es completamente variable y perfectamente acorde con las tendencias y el diseño de una buena arquitectura. De esta manera los objetivos se pueden sintetizar en: •

Lograr la calidad del ambiente interior, es decir, unas condiciones adecuadas de temperatura, humedad, movimiento y calidad del aire.

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Tener en cuenta los efectos de los edificios sobre el entorno en función de: los residuos domésticos (se preconiza la separación selectiva y la fabricación del compost), aprovechamiento de las aguas sucias y el almacenamiento del agua de lluvia, minimizar las emisiones gaseosas, es decir, los gases de combustión vinculados al acondicionamiento de los edificios. Considerar el impacto que produzca el asentamiento, teniendo en cuenta aspectos como el exceso de población, las vías de acceso, aparcamientos, destrucción del tejido vegetal. Valorar los consumos que afectan al desarrollo sostenible del lugar: el consumo de agua (disminuir el gasto de agua e iluminación, entre un 30-20% o de otras materias primas por encima de su capacidad de renovación. Contribuir a economizar al consumo de combustibles (entre un 50-70% de reducción sobre el consumo normal). Disminuir la emisión de gases contaminantes a la atmósfera (entre un 50-70%).

De hecho, si algo es capaz de caracterizar la arquitectura bioclimática, es precisamente su adecuación al medio ambiente y al lugar en el que se implante, imposibilitando la misma solución en situaciones geográficas y ambientales distintas. Poca arquitectura bioclimática se puede realizar si las condiciones urbanísticas de partida, obstrucciones solares, exposiciones al viento, malas orienta-


ciones, la dificultan. En tal caso esta será menos eficiente. Está comprobado, por ejemplo, que un edificio aislado del tipo viviendas colectivas gasta el doble en energía si su eje longitudinal se encuentra orientado en sentido norte-sur que si lo está en

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el este-oeste. Por tanto, el problema de la construcción de edificios de alta eficiencia energética transciende las meras soluciones arquitectónicas, y se constituye como una lógica que debe afectar todos los ámbitos de la planificación urbana.

Principios físicos de la arquitectura bioclimática El análisis pormenorizado de las condiciones climáticas debe analizarse en función de lo que sucede con todas las variables cuando interactúan (viento, humedad, temperatura, radiación), y cuáles son sus consecuencias traducidas al bienestar humano, esto es, a la sensación de confort. Una vez obtenidos los datos relativos al microclima local y transformados en parámetros ajustables a las necesidades humanas de bienestar físico, se debe analizar en qué medida y en qué épocas del año dichas condiciones se corresponden (o se alejan) de los parámetros de confort. En este último caso, se estudia en qué sentido las condiciones ambientales difieren de las deseadas, y se plantean las estrategias arquitectónicas correctoras necesarias. Habitualmente el problema reside en combinar distintas estrategias, puesto que condiciones ambientales adversas y de signo totalmente distinto suelen darse, por ejemplo, en verano (necesidad de refrigeración mediante ventilación o humidificación) e invierno (necesidad de calefacción mediante ganancias internas, calefacción solar pasiva o activa, etc.). En el proceso de diseño arquitectónico deben irse ajustando todas las estrategias arquitectónicas conducentes a la corrección de dichos parámetros, combinándose con los demás aspectos de orden material, funcional, formal, estético y normativo. El proceso resulta complejo y laborioso y, al contrario de lo que pudiera parecer, no coarta en absoluto la libertad creativa del arquitecto, sino que más bien facilita su labor al clarificar los condicionantes de partida.

SISTEMAS ACTIVOS Y PASIVOS Los sistemas pasivos se fundamentan en el control de las variables climáticas en el interior de las edificaciones mediante el uso racional de las formas y de los materiales utilizados en arquitectura,

incidiendo fundamentalmente en la radiación solar, facilitando o limitando su incidencia y utilizando los aislamientos y la inercia térmica de los materiales como sistemas de control y amortiguamiento térmico. La elección de los vidrios y del material de construcción de los forjados, cerramientos, tabiquería y estructuras se supedita a la obtención de los resultados prefijados. Los sistemas activos, por el contrario, aplican directamente las nuevas tecnologías de aprovechamiento de las energías renovables, como la solar (para producción de agua caliente sanitaria, calefacción o energía fotovoltaica), la energía eólica o la biomasa. En este sentido habría que hacer una primera distinción entre aquellas técnicas probadas y cuantitativamente rentables en cualquier caso, como es la energía solar para ACS (agua caliente sanitaria), o la energía eólica, de aquellas otras cuya aplicación es más discutible en términos de rentabilidad, como la fotovoltaica. También entrarían en este apartado todos aquellos sistemas de ahorro energético de equipos tradicionales, como los que suponen las centrales de cogeneración y todos aquellos otros sistemas de control ambiental que necesitan un gasto inicial de energía para su correcto funcionamiento: sistemas móviles de parasoles, domótica, sistemas variables de iluminación, etc. Otro modelo actualmente muy publicitado, en relación a la arquitectura de alta eficiencia energética, es el tecnológico, el denominado high-tech o, en su versión supuestamente más orientada a la integración medioambiental, eco-tech. Se trata de un modelo que aplica los más espectaculares alardes técnicos a la resolución de edificios, con complejos sistemas activos de control climático (vidrios de alta eficiencia, sistemas móviles robotizados de protección, sistemas de captación solar activa) controlados por ordenador (domóti-

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ca). Son edificios cuya eficiencia energética solo se limita al mantenimiento, sin tener en cuenta otras premisas, como el coste energético de construcción (generalmente elevadísimo). Se trata de un modelo que se extiende como estandarte de futuro, pero que debido a su elevado coste solo es asumible por corporaciones privadas de alto nivel económico, que lo exhiben como símbolo de poder y como objeto publicitario dentro de la moda actual por lo ecológico.

LA ENERGÍA SOLAR PASIVA Y SU UTILIZACIÓN Un diseño pasivo para aprovechamiento energético es un sistema que capta la energía solar, la almacena y la distribuye de forma natural, sin mediación de elementos mecánicos. Sus principios se basan en las características de los materiales empleados y en la utilización de fenómenos naturales de circulación del aire. Los elementos básicos usados por la arquitectura solar pasiva son: acristalamiento, que capta la energía solar y conduce el calor al interior, y la masa térmica que está constituida por los elementos estructurales del edificio o por algún material acumulador específico como agua, muro de piedras, que tiene como misión almacenar la energía captada. Sus principios están basados en las características de los materiales empleados en la construcción y en la utilización de los fenómenos naturales de circulación de aire. Por tanto, se establece una interrelación entre energía solar pasiva y arquitectura, ya que estos sistemas se construyen sobre la estructura del edificio. Una de las grandes ventajas de los sistemas pasivos es su durabilidad. Las aplicaciones más importantes de los sistemas solares pasivos son la calefacción y la refrigeración. La integración de colectores de aire, la utilización de paredes internas como muros acumuladores de calor y la aplicación de ventiladores, aumentan la eficacia de los sistemas pasivos, conocidos como “híbridos”, ya que utilizan ciertos sistemas mecánicos activos (ventiladores). En los últimos años se han mejorado mucho los sistemas pasivos para actividades agrícolas en invernaderos, secaderos, establos, etc., que permiten un considerable

ahorro energético en las diferentes tareas agrícolas implicadas. De hecho se trata de un caso particular de energía solar térmica. Con la energía solar pasiva se consigue utilizar la energía sin necesidad de movimiento de ningún elemento, todos los procesos son naturales. Esto es lo que distingue la energía solar pasiva de la solar térmica convencional. Esta energía se aplica a la arquitectura, denominándose arquitectura solar pasiva o bioclimática. Esta tiene en cuenta el clima del lugar, energía solar recibida, temperatura, dirección del viento, la vegetación de los alrededores y la orientación para que el edificio reciba el máximo de energía solar posible. El objetivo es conseguir, con el mínimo consumo de energía convencional, el máximo confort, logrando que las temperaturas en estos edificios sean constantes aunque la exterior sufra grandes oscilaciones. Un ejemplo lo constituye la fachada ventilada, en que la fachada del edificio se compone de varias capas, básicamente una exterior habitualmente cerámica, una cámara de aire intermedia de 20 a 100 mm y una capa o pared interior. El comportamiento de la fachada ventilada hace que en verano, cuando el sol incide directamente sobre la fachada, calienta el aire que queda en la cámara que asciende por convección ocupando su lugar aire fresco, efecto chimenea, y evitándose así la acumulación de calor en la fachada y en la pared interior. En invierno, en cambio, la radiación solar apenas puede producir estos movimientos de aire y la fachada ventilada actúa como acumulador de calor produciendo el efecto contrario. Cuando se quiere diseñar una casa solar, se tienen en cuenta los siguientes factores: ganancia solar, almacenamiento de la energía, distribución del calor y la iluminación natural. Se suelen instalar métodos de calefacción, refrigeración e iluminación para completar los sistemas naturales. La calefacción se consigue con invernaderos adosados, galerías acristaladas, ventanas y muros colectores para captar el calor solar, normalmente orientados hacia el sur, y aislando las paredes norte. Los muros y techos están fabricados con materiales que acumulan calor que se transfiere al interior de la casa. En la Figura 32.2 se muestra la foto de una casa bioclimática alimentada por energía solar pasiva.


Figura 32.2. Casa energéticamente alimentada por solar pasiva.

La refrigeración se obtiene evitando la ganancia de calor, con protectores: aleros, toldos, persianas, o bien por sistemas enterrados. Se extrae también calor de noche, radiación hacia el cielo con una cubierta térmica móvil, enfriamiento evaporativo o ventilación inducida. La iluminación se consigue por reflejos, la luz indirecta es dirigida hacia paneles reflectantes. En el interior, la luz difusa se aprovecha y potencia con pinturas blancas o claras. Este tipo de edificios existen por todas partes del mundo, pero su desarrollo no es, ni de lejos, masivo. Muchos de los existentes sirven para la experimentación más que para su uso. Ya se ha

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dicho que la mayoría de estas instalaciones están realizadas para la investigación, aunque no son raros los casos de viviendas adosadas o aisladas que utilizan energía solar pasiva. La obtención de esta energía puede suponer un 10% de sobrecoste de la edificación con una rápida amortización, pues el ahorro energético puede alcanzar el 70 u 80%. Por otra parte, es difícil señalar algún inconveniente a la energía solar pasiva. Según el principio de la utilización pasiva de la energía solar, el sol bajo de invierno ayuda a optimizar la calefacción, en verano es sombreado por balcones y techo. Al sur quedan los cuartos habitables, al norte la cocina y otros cuartos como amortiguadores de calor. Las paredes exteriores están protegidas del viento y muy bien aisladas. Por medio de una instalación activa de ventilación, el aire viciado del interior es conducido al exterior. Se estima que para el año 2010 se podrá duplicar el aprovechamiento de la energía solar pasiva, y por lo tanto podrá suponer una reducción del 50% de las emisiones de CO2 y ahorrar mucha energía. Aunque quede mucho por investigar, se están estudiando nuevos materiales, características ópticas de superficies, ventanas, tipologías constructivas, modelos de simulación, manuales de cálculo para constructores y validación experimental de las edificaciones.

El diseño bioclimático En apartados anteriores se han puesto ejemplos de edificios bioclimáticos y los objetivos del mismo. En este apartado se pretende exponer muchos de los conceptos que engloba el diseño bioclimático, haciendo un barrido de las muchas posibilidades de los parámetros y elementos, ventajas e inconvenientes, que deben considerarse para desarrollar el diseño de un edificio bioclimático. Se pasa de los aspectos concretos del edificio bioclimático a otros más generales, pero también se debe considerar su conjunción con el urbanismo, visto en un apartado anterior. En todos ellos hay aspectos comunes y complementarios que por su importancia se deben tener presentes en todas las etapas y niveles del diseño de un edificio.

ASPECTOS GENERALES DEL DISEÑO BIOCLIMÁTICO Si se propone ordenar el proceso que sigue el diseñador consciente del consumo energético de un edificio, se debe plantear su funcionamiento desde los primeros pasos. Las decisiones que más afectan al comportamiento de un edificio son las decisiones del inicio, y los aspectos energéticos no se pueden solucionar sobre un concepto ya establecido. Es por ello que en un análisis conceptual hay que tratar con dos enfoques sucesivos: en primer lugar en los aspectos generales, que en un proceso inicial del diseño pueden influir marcadamente en el resultado ambiental, y en un segundo en los componentes o sistemas que en un

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edificio buscan la mejora de aspectos energéticos concretos. Dentro de los aspectos generales, se deben distinguir dos tipos de decisiones: las que influirán sobre el microclima que rodea al edificio y las que lo harán directamente en el interior del edificio. En la primera, la ubicación o situación, si se puede elegir, resulta muy importante, pues los factores microclimáticos son muchas veces los más importantes para el confort de un lugar determinado. Por otro lado, hay que contar con las correcciones del entorno, o sea, las actuaciones que desde el proyecto se hagan sobre los factores microclimáticos de los alrededores próximos al edificio, como supresión o incorporación de vegetación o de agua, o incluso los mismos edificios pueden alterar significativamente el microclima local. En la elección de la ubicación se pueden considerar los siguientes aspectos: • • •

Topográficos. Altura relativa y pendiente del terreno. Relación con el agua. Aspectos de la forma urbana.

Las decisiones que afectan directamente al ambiente interior son las que se refieren al diseño del propio edificio y que a menudo se entienden como arquitectura. En estas se pueden distinguir tres aspectos. El primero, referente a la forma general del edificio, que marcará con carácter global la posibilidad de recibir radiación, vientos etc. El segundo radica en el tratamiento de la piel, que constituye el conjunto de barreras y conectores del intercambio interior-exterior. El tercero, las características del interior del edificio, cuya influencia se manifestará en el reparto y transferencia de energía y su estabilidad en el tiempo. Este conjunto de decisiones de forma, piel e interior, determinan la situación energética del edificio. Muchas veces para tratar este tema se habla de las técnicas conservativas, las de conexión y las estabilizadoras. Las primeras, las técnicas conservativas de diseño, son las que sirven para evitar al máximo la pérdida o ganancia de energía entre el interior y el exterior. Con este objetivo la forma general del edificio será compacta, de manera que su piel trabaje primordialmente como una barrera (térmica, radiante y al aire) y que su interior esté compartimentado.

Las técnicas de conexión intentan favorecer la entrada o salida de determinadas formas de energía para mejorar las condiciones interiores. Son ejemplo de ellas, la captación de la radiación solar, la ventilación y la disipación nocturna. En estos casos será importante que la forma del edificio sea poco compacta, con un mejor contacto con el exterior. En cambio las llamadas técnicas estabilizadoras, son las que tienden a mantener constantes en el tiempo las condiciones energéticas del interior. En este sentido todas las técnicas conservativas serán favorables, pero además se deberá añadir las que incrementan la inercia térmica del interior del edificio. También hay que considerar los llamados componentes o sistemas energéticos del edificio al que se hacía referencia en el primer párrafo de este apartado. Con carácter general se puede nombrar: sistemas contra el frío, contra el calor y de iluminación. Los sistemas contra el frío se basan fundamentalmente en la captación solar (sistemas captores o sistemas pasivos de energía solar). En ellos hay que subdistinguir la captación, el almacenamiento y la cesión al ambiente interior. La captación está constituida por un elemento transparente o translúcido que permite el paso de la radiación solar y detiene la infrarroja del interior, y una superficie que recibe esta radiación y la absorbe. El almacenamiento se produce en elementos masivos que acumulan en forma de calor la energía de la radiación absorbida, son sistemas de inercia y que forman parte de las técnicas estabilizadoras. La cesión al ambiente se efectúa por convección y radiación desde la masa térmica que ha acumulado la energía, de forma retardada y amortiguada Los sistemas contra el calor procuran mantener las condiciones interiores de confortabilidad cuando las condiciones climáticas exteriores tengan exceso de radiación y/o temperatura del aire. A estos sistemas le corresponden las técnicas de ventilación y tratamiento del aire, y las de protección de la radiación. Por su parte los sistemas de iluminación natural serán los destinados a favorecer la penetración de la radiación solar, directa o difusa, a efectos de obtener un alumbrado eficiente de los espacios interiores. Hay que distinguir entre las zonas periféricas y las interiores. Entre las primeras hay que ponderar


el abrir ventanas, lucernarios, claraboyas, etc., en la piel del edificio. En las zonas interiores a menudo es obligado el utilizar el alumbrado artificial, y por tanto se fuerza la creación de sistemas que lleven la luz del exterior hasta estas zonas internas. Para corregir los efectos de los componentes o sistemas energéticos mencionados se pueden incorporar los llamados sistemas especiales climáticos, que se pueden clasificar en los siguientes cuatro grupos: a) captores, b) inerciales, c) de ventilación y tratamiento de aire y d) de protección a la radiación. a) Entre los sistemas captores los hay directos, semidirectos, indirectos e independientes: — En los primeros penetra directamente la radiación a través de superficies vidriadas, ventanas y lucernarios. — En los semiindirectos se interpone un espacio, por ejemplo, un invernadero, que alcanza condiciones térmicas intermedias. — En los sistemas indirectos la captación se realiza a través de un elemento de almacenamiento con una posterior transferencia de energía al interior. Las fachadas, muros de inercia (muros de gran grosor para retardar unas doce horas el máximo aporte de energía), muros tipo Trombe (muro con perforaciones en la parte superior e inferior que separan y permiten la recirculación de aire entre el “invernadero” y la estancia en cuestión). También se encuentran en este grupo los muros de agua. Entre los sistemas indirectos para techos el más típico es la cubierta de agua o cubierta estanque. — Los sistemas independientes son similares a los sistemas indirectos pero los elementos captores o acumuladores se pueden independizar entre sí y con el espacio acondicionado, es decir, el elemento de inercia es un elemento externo y la transferencia de calor se realiza por un flujo convectivo que circula por un conducto donde se incorporan dispositivos de regulación y control. b) Entre los sistemas de inercia, se pueden considerar los subterráneos (excavación o ente-

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rramiento parcial o total del edificio), los de alta inercia interior (complementos de gran masa en paredes interiores), alta inercia en cubiertas (grandes masas en la cubierta de 30 cm de material sólido o incluso recipientes o bolsas de agua de 20 cm). c) Los sistemas de ventilación y tratamiento de aire pueden a su vez subdividirse es sistemas generadores del movimiento del aire, sistemas de tratamiento de aire. Entre los primeros los hay de: — Ventilación cruzada: la ventilación tiene lugar mediante las aberturas situadas en las dos fachadas opuestas, y el aire cruza toda la edificación. — Efecto chimenea: el aire entra por una parte inferior y la extracción se realiza por una chimenea o apertura en la parte alta con un conducto de extracción vertical. — Cámara o chimenea solar: parecido al caso anterior, pero la apertura alta entra en contacto con una cámara, situada en la cubierta, que es calentada por la radiación solar y acentúa la extracción. — Aspiración estática: se produce una depresión en el interior del edificio mediante la aspiración por efecto venturi generada por el viento sobre un dispositivo parecido a una chimenea. — Torres de viento: sistema de introducción de aire en el edificio a través una especie de torre, parecida a una chimenea, que reconduce el aire impulsado por el viento, Esta solución solo es válida en zonas con viento permanente dominante en una dirección. Entre los sistemas de tratamiento del aire, actuando sobre la temperatura y/o la humedad del aire, que pasa sobre la superficie de un líquido o dispersando agua a través de cualquier medio. Estos sistemas son propios de climas cálidos y secos. Se puede distinguir: — Torres evaporativas: parecida a la torre de viento, pero el aire es enfriado por evaporación de agua, que humedece las paredes interiores. El aire enfriado es más pesado y cae penetrando en el edificio.

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— Patio: es un ambiente descubierto central rodeado por el edificio, donde existe un estanque o fuente que acondiciona el aire por evaporación. El patio puede estar protegido por un toldo o vegetación. — Ventilación subterránea: conductos subterráneos, de 6 a 12 m, por los que pasa aire antes de introducirse en el edificio, y aprovecha la inercia del subsuelo. — Sistemas de protección a la radiación, entre los que se pueden considerar los umbráculos y los elementos protectores de la piel: • Umbráculos que tienen la misión de la creación de un espacio anexo al edificio. Los más habituales son con una pérgola, vegetación, brise-soleils… • Entre los elementos protectores, que detienen la radiación solar antes que llegue a la envolvente del edificio, puede considerarse: aleros o voladizos, pantallas (fijas o móviles), persianas, toldos o cortinas exteriores, vegetación, lamas, vidrio de color y/o reflectantes.

SISTEMÁTICA DEL DISEÑO BIOCLIMATICO En los siguientes párrafos aparece un listado de parámetros que deben ponderarse en el diseño bioclimático y que sirven para tomar las decisiones más correctas desde el punto de vista energético, térmico, lumínico, acústico y de ventilación. El listado es extenso, aunque no exhaustivo, y se presentan las ventajas e inconveniente de cada una de las alternativas de una forma concisa. Algunas de las alternativas ya han sido comentadas con mucho

más detalle en los párrafos anteriores y de una forma global al conjugar varios de los parámetros. Orientación, pendiente y orientación de la pendiente

La mayor inclinación del terreno en el emplazamiento de un edificio favorece los intercambios energéticos con un clima exterior específico (Figura 32.3). Si la orientación es favorable, el efecto también lo será para el interior. • En orientación sur serán mayores los efectos del asoleo, menor el viento frío del norte, mayor temperatura, menor humedad y mayor radiación. • En orientación SE y SO, los mismos efectos del S, pero algo reducidos y oscilación de la temperatura algo incrementada. • Orientación este: temperatura menor en invierno pero alta en verano. humedad media. Aporte de radiación variable con máxima matinal. Temperatura variable. • Orientación oeste: temperatura menor en invierno y alta en verano. Humedad media. Aporte radiación variable, con máxima por la tarde. Temperatura muy variable. • Orientación norte: temperatura menor en invierno y verano. Humedad más alta. Aporte de radiación nula o muy baja en invierno y baja en verano. Poca oscilación de temperaturas. Altura relativa

Para un emplazamiento más elevado el edificio está más expuesto a los agentes atmosféricos y al

Figura 32.3. Influencia de la orientación y la pendiente del terreno.

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Figura 32.4. Influencia de la altura relativa.

Densidad urbana

sol (Figura 32.4). El edificio en zonas altas tendrá oscilaciones térmicas más acentuadas y temperaturas ligeramente más frías. También mayores posibilidades de ventilación e iluminación.

A mayor densidad urbana se dificultan los intercambios energéticos con el medio natural: las temperaturas serán más estables, pero con dificultades de ventilación. Por esta razón se habla siempre de microclima en las grandes aglomeraciones urbanas.

Tipo de terreno

Según sea silicio, calcáreo, con vegetación o un pavimento, tendrá influencia en la incidencia de la radiación, humedad e inercia térmica (Tabla 32.1)

> [

La forma de un edificio influye en el intercambio energético, y puede analizarse desde muchos puntos de vista. Entre los aspectos que más influyen se puede destacar: altura, compacidad, porosidad, esbeltez.

Tipo de zona

Según el tipo de zona donde se encuentra el edificio, casco antiguo, ensanche… hay un tipo u otro de microclima y por tanto influye en la temperatura, estabilidad térmica, ventilación e iluminación. Estos efectos están resumidos en la Tabla 32.2, y todos influirán en el diseño y consumo energético del edificio.

Altura En los edificios con mayor altura relativa respecto a la de sus vecinos se aumenta la posibilidad

Tabla 32.1. Influencia de los terrenos en el albedo, radiación, humedad e inercia térmica. Terreno Silíceo

Albedo

"

Humedad

Inercia térmica

Medio-bajo

Baja

Baja

Alta

Calcáreo

Alto

Alta

Baja

Alta

Arcilloso

Medio-bajo

Baja

Alta con variac.

Relativa. alta

Areniscas

Alto

Alta

Baja

Media

Volcánicos

Bajo

Baja

Baja func. sust.

Alta

Mucha vegetación

Medio

Media-alta

Alta

Media

Mucho pavimento

Medio-bajo

Elevada

Baja

Muy alta

Tabla 32.2. Influencia del tipo de la zona urbana donde se encuentra el edificio en la temperatura, estabilidad térmica, ventilación e iluminación. Tipo zona urbana Casco antiguo

Temperatura

Estabilidad térmica

>

";:

Algo baja

Alta

Baja

Poca

Ensanche

Media

Media

Media

Media

Polígono

Variable

Poca

Alta

Alta

Ciudad jardín

Variable

Media-poca

Buena

Buena

Campo abierto

Variable

Poca

Buena

Buena

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de aportes energéticos, con mayores posibilidades de ventilación e iluminación. Sin embargo hay que ponderar otros parámetros, como son la compacidad, porosidad y esbeltez. Compacidad Algunos autores miden la compacidad con un número adimensional que compara la superficie lateral del edificio con la superficie que tenga la esfera con el mismo volumen que el edificio (en la superficie lateral del edificio no se tiene en cuenta la de los patios interiores). La relación de la superficie lateral del edificio comparada con su volumen es un parámetro que se llama factor de forma, que tiene relación con la geometría del edificio pero que no es adimensional. La Figura 32.5 representa distintos grados de compacidad de un edificio. Cuanto más compacto sea un edificio, menos superficie de piel tiene, menor posibilidad de intercambio energético (menor ventilación e iluminación de las zonas interiores), pero en cambio será más estable térmicamente.

proporción de patios interiores. A mayor porosidad mayor contacto con el microclima corregido de los patios y mayor posibilidad de intercambio energético controlado. El edificio es más fresco, las temperaturas evolucionan hacia el ambiente del patio. Mejoran las posibilidades de ventilación e iluminación de las zonas interiores (Figura 32.6).

Figura 32.6. Ejemplos de edificios de distinta porosidad.

Esbeltez Este parámetro da una idea de las proporciones del edificio (Figura 32.7). A mayor esbeltez mayor será el contacto con el exterior y mayores son las posibilidades de intercambios energéticos. El edificio tendrá mayores oscilaciones térmicas y mejores posibilidades de ventilación e iluminación. Tipos de sección

Figura 32.5. Influencia de la compacidad.

Porosidad Aspecto que caracteriza la existencia de espacios vacíos y comunicados directamente con el exterior en el volumen del edificio. Da una idea entre el volumen lleno y el volumen vacío, equivale a la

Es el aspecto que caracteriza la geometría de la sección vertical del edificio. Este influye en la capacidad de captación de la radiación y en las posibilidades de ventilación (Figura 32.8). En la sección rectangular los intercambios energéticos con el exterior son homogéneos. En el de T invertida hay diferencias entre las partes alta y baja: mejor ventilación, radiación e iluminación en la parte alta pero empeora en la parte baja. En un edificio escalonado o trapezoidal la situación es parecida

Figura 32.7. Ejemplos de edificios de distinta esbeltez.


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Figura 32.8. Ejemplos de edificios de distinto tipo de sección.

a la T invertida con una degradación entre ambas situaciones extremas. En la trapezoidal invertida, mejora la protección a la radiación en verano de la parte baja, con disminución de captación solar en fachadas orientadas hacia el sur. En algunos edificios singulares se presentan situaciones complejas que resultan una combinación de las anteriores.

cio y la superficie. En principio no tiene ninguna repercusión lumínica, pero sí influye en la repercusión acústica, que mejora siempre que haya una continuidad de las barreras, y climática, que afecta sobre todo a la inercia térmica, y en función de su característica aislante permitirá además su constancia.

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Perforación

Se considera la piel de un edificio al paramento que envuelve el edificio y delimita el interior del exterior. Constituye la membrana del edificio por donde intercambia “masa y energía” con el exterior. Pueden considerarse muchos aspectos, pero los más importantes son el asentamiento, adosamiento, pesantez, perforación, transparencia, aislamiento, textura, color, variabilidad de la característica de la piel, etc.

Da una idea de la permeabilidad del edificio al paso del aire. Depende de la superficie, dimensiones y posición relativa de las aberturas constructivas. La perforación puede ser variable, pues habitualmente las aberturas son practicables. Tiene importantes repercusiones en la iluminación, en la acústica y climática. A más perforación más posibilidades de iluminación. En el aspecto acústico, es muy importante ya que en función de sus características puede anular todo el aislamiento acústico del edificio y gran parte de las ventajas que aporta la pesantez. Hay que comentar la hermeticidad de los cerramientos, que está determinada por las infiltraciones que se producen por las juntas de las perforaciones en sus elementos practicables cuando están cerrados, y que tienen mucha importancia en el plano acústico, y también en el térmico. Puede haber variabilidad de la perforación, pues en algunos casos en invierno puede cerrarse total o parcialmente las aberturas perforadas.

Asentamiento Esta característica corresponde al contacto de la piel del edificio con el terreno. A mayor asentamiento la temperatura es más estable (temperaturas relativamente bajas en verano) y mayor humedad, menor iluminación, reduciéndose las posibilidades de intercambio con el exterior. Adosamiento O contacto con edificaciones vecinas. Con el adosamiento el edificio es algo más estable térmicamente y empeora la ventilación e iluminación. Pesantez Tiene en cuenta la masa de la piel del edificio, y se define como la relación de la masa de edifi-

Transparencia Muestra el comportamiento del edificio frente a la radiación solar, dejándola pasar en mayor o menor cantidad. A mayor transparencia, mayor superficie de captación energética y mayores pérdidas térmicas, mayor sensibilidad a las variacio-

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nes del ambiente exterior, resultando un edificio con mayores oscilaciones térmicas, en general temperaturas medias mayores y mayor cantidad de luz. Habitualmente los elementos transparentes son pocos aislantes de las ondas acústicas. En algunos tratados se define un coeficiente de transparencia como el cociente de la superficie vidriada y la superficie global de la piel. La variabilidad de la transparencia mediante elementos o mecanismos (toldos, persianas, brise-soleils) permite estabilizar el comportamiento energético, con mejores posibilidades de control de las condiciones exteriores. Aislamiento Resistencia que ofrece la piel del edificio al paso del calor por conducción. El flujo energético se produce cuando hay diferencia de temperaturas entre el interior y el exterior. Algunos aislantes térmicos también lo son acústicos debido a la forma de su porosidad. Un edifico con un buen aislante tendrá poco intercambio de energía interior-exterior, y por tanto tiende a ser estable, con temperaturas más altas en invierno y algo menores en verano. Puede haber variabilidad que mejore el aislamiento en invierno mediante sistemas de aislamiento móvil.

Textura de la piel Término que hace referencia al aspecto del acabado a pequeña escala de la piel del edificio. Se puede medir por la rugosidad, habitualmente en milímetros. Cuanto más rugosa sea la pared la reflexión de la luz será más difusa, con una mayor absorción de los ruidos. Casi no afecta al intercambio energético, si acaso favorece el intercambio en la convección de la superficie-aire. Color Tiene un papel importante por la absorción superficial de la radiación. Los colores oscuros tienen una absorción alta, y por tanto favorecen el paso de la energía. Desde el punto de vista lumínico afecta a los edificios colindantes por la reflexión de los edificios. La orientación del edificio afecta a la eficiencia de los parámetros del tratamiento de la piel del edificio. En la Tabla 32.3 están resumidos los efectos de varios de estos parámetros según distintas orientaciones del mismo. Ventilación y tratamiento del aire

Corresponde a los sistemas de control ambiental que generan el movimiento del aire a través del

Tabla 32.3. Influencia de la orientación sobre distintos parámetros de tratamiento de la piel del edificio. INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN SOBRE DISTINTOS TRATAMIENTOS DE LA PIEL DEL EDIFICIO S, SE y SO

N, NE, NO

-Temp. interior e iluminación baja poca oscilación. -Mayor humedad.

-Capacidad de captación. -Temp. interior e iluminación -Reducción de pérdidas. bajas con pocas oscilaciones. -Buena protección viento invierno. -Mayor humedad.

-Gran ganancia solar directa. -Temperatura alta en verano, -Alta iluminación, varía con el tiempo.

-Edificio frío en verano e invierno, -Ganancia solar importante. con poca oscilación -Temperatura alta en verano -Iluminación baja pero uniforme. con variaciones temporales. -Iluminación buena verano, varía.

<

-Permite entrada aire cálido. -En perforación de ventilación transversal buena ventilación.

-Permite entrada aire fresco. -En perforación de ventilación trasversal buena ventilación.

Aislamiento

-Reduce poco las pérdidas. -Interesante aislamiento móvil sobre superficies transparentes.

-Dificulta las pérdidas en invierno, y las ganancias en verano. -Edificio más caliente en invierno con poca oscilación. -Mas frío en verano.

Textura

- Desfavorable en verano.

-Favorable en tiempo frío. -No actúa.

Pesadez

-Favorable, acumula energía, la cede con retardo y amortiguamiento.

Transparencia

Asentamiento y adosamiento

E, O y cubierta


edificio. Tiene interés en situaciones climáticas cálidas-húmedas. En ambientes calidos y secos se combinan con tratamiento de aire. La ventilación se usa para la evacuación de excesos de temperatura en el interior, para la mejora de confort por el movimiento del aire y en la posible introducción de aire frío en el interior. Cada sistema de ventilación tiene su grado de eficiencia que depende del clima, del edificio y su posible combinación con otros sistemas con los que pueden actuar en serie o en paralelo. Todos tienen un grado de variabilidad que pueden controlarse. En general la ventilación se aprovecha por su efecto refrescante evitando el sobrecalentamiento. La ventilación se puede llevar a cabo con aberturas al exterior, aberturas a patio, torre de viento, torre evaporativa o conductos enterrados, efecto chimenea, cámara o chimenea solar, aspirador estático, todos ellos comentados anteriormente. Captación solar

Existen diversas modalidades que han sido comentadas previamente, con sus correspondientes variantes y características. A título de resumen permiten una entrada de energía solar, retardada en algunos casos, y en general dan una mejor iluminación.

Se considera como interior del edificio al conjunto de elementos, constructivos o no, que quedan encerrados por su piel, también se incluye la parte de esta piel que influye en el comportamiento de

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este interior. Si la piel es de una sola capa podría considerarse en este caso la mitad interior. Las características del interior más importantes son: tipo de distribución, compartimentación, conexión, pesadez, color, textura y geometría. Tipo de distribución Pueden realizarse muchos tipos de distribución, en la Figura 32.9 hay algunos de los más significativos. La distribución “a” corresponde a una lineal, que con la orientación adecuada puede tener una correcta captación energética en invierno en toda la primera línea de fachada a sol y escasa en verano. Tiene un buen comportamiento térmico y de iluminación. Puede generarse fácilmente una buena ventilación transversal. En la distribución “b”, central, hay una desigualdad para las zonas de la periferia respecto a las centrales. Hay la posibilidad de generar un espacio central con condiciones climáticas controladas, como un patio, atrio, etc. En las zonas grandes existe la posibilidad de producirse eco y reverberación, situaciones que son acústicamente más fáciles de controlar en espacios pequeños. La “c” corresponde a una distribución radial, y según las dimensiones es una combinación de las anteriores. La zona central tiene pocas posibilidades de iluminación y ventilación. La “d” corresponde a una distribución reticular. La distribución interior debe tener mucha “porosidad” en la trama para superar los graves problemas de iluminación y ventilación. En el aspecto positivo puede haber un reparto equilibrado de energía.

Figura 32.9. Distintos tipos de distribución del interior del edificio.

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El “e” es un agregado. Cada caso tendrá sus características, pero convenientemente distribuido y orientado puede tener muchas ventajas respecto a la iluminación e intercambio energético.

La repercusión acústica está directamente ligada con la ley de las masas, a más pesadez mejor aislamiento acústico, siempre que los cerramientos sean continuos.

Compartimentación

Color

Concepto relativo a la subdivisión del interior del edificio, y puede referirse a la vertical y a la horizontal. La primera se refiere a volúmenes de menor altura, y de menor superficie en planta la segunda. En ambas cuanto mayor compartimentación menos posibilidades de intercambio de energía y con zonas interiores más oscuras. En el caso de mucha altura se producirá una estratificación.

Cuanto más oscuro sea el color del interior mayor absorción de los paramentos que reciban radiación y menor será su reflexión. Provocará un peor reparto térmico y lumínico, menos uniformidad. Si los colores claros están en la periferia y lugares por donde penetra la luz permitirán un mayor nivel de luminosidad. Si los colores se degradan de las estancias menos luminosas (interiores) y con los colores más claros a otras situadas en zonas más luminosas pero con colores menos claros, se consigue un efecto más uniforme de iluminación. No hay ninguna repercusión acústica.

Conexión También puede ser vertical u horizontal, según como se conecten los diferentes elementos de compartimentación del edificio: escaleras, grandes aberturas que conectan dos plantas o varias, aberturas entre distintas estancias al mismo nivel, elementos separadores móviles, etc. La iluminación se favorece con la conexión, incluso puede realizarse con materiales transparentes. La repercusión climática entre distintas zonas se realiza por convección a través de las aberturas de conexión. La conexión horizontal da lugar a una mayor uniformidad climática. En el caso de conexión vertical la transmisión de energía se produce por convección natural ascendente, y según la altura se producirán fenómenos de estratificación y habrá una peor uniformidad. La movilidad de los separadores mejorará la regulación de las condiciones interiores, las de conexión horizontal la mejora en invierno y verano, mientras que las conexiones de tipo vertical permiten mejoras especialmente en verano. Peso Aspecto que caracteriza la masa media por unidad de volumen de los materiales existentes en el interior del edificio. A mayor peso mayor inercia y mayores posibilidades de acumulación de energía y estabilidad térmica. La estabilidad se acentúa en el caso de masas por recipientes de agua. El reparto del peso también es importante, y será más efectivo cuando se sitúen en espacios que reciban aportes energéticos por radiación.

Textura Hace referencia al acabado superficial, rugosidad y la porosidad de la pared. Repercute en la reflexión, difusión y en el coeficiente superficial de fricción del aire. La rugosidad da lugar a una reflexión difusa uniforme, mientras que las superficies muy lisas provocarán una reflexión especular. En el plano acústico, la rugosidad y porosidad modifican el tiempo de reverberación de una forma muy acusada. Térmicamente no tiene casi influencia. Geometría La geometría es importante a efectos térmicos, lumínicos y acústicos. Dentro de este parámetro puede considerase el volumen, forma, proporciones, existencia de desniveles, etc., como elementos para caracterizarla. •

El volumen. En espacios grandes hay posibilidad de estratificación y falta de uniformidad. En todo caso los efectos radiantes tienden a la uniformidad, mientras que los de convección dan lugar a lo contrario. El volumen tiene influencia en el tiempo de reverberación, y por eso en ocasiones se hacen salas de volumen variable. El volumen es neutro respecto a la iluminación, aunque en salas grandes de poca altura se producirá


•

•

•

una zona central oscura que deberá compensarse con luz zenital. Forma. Es un parámetro muy variable. Por ejemplo, las estancias largas, irregulares, con entrada de luz en un extremo, tendrán una distribución poco homogénea, en cambio en estancias cuadradas pequeñas esta será uniforme. En el campo acústico se pueden crear formas que favorezcan la uniformidad y reflexiones acústicas como en las salas de concierto, etc. En el aspecto climático no hay una repercusión clara, aunque con formas alargadas y complejas no habrá tanta uniformidad y deberá estudiarse la disposición de las fuentes de calor. Proporciones. Ya se ha comentado la problemática en las estancias alargadas. La penetración de la luz en el plano vertical es inoperante a una profundidad de dos veces la altura de penetración. En los locales rectangulares, con ciertas proporciones, las ondas se reparten más uniformemente y mejora la acústica del local. En locales grandes hay que prever el eco y las concentraciones focales producidas por formas cóncavas. La forma elíptica puede ser problemática si la fuente sonora se encuentra en uno de los focos. Térmicamente una altura grande favorece la estratificación, que puede ser favorable en tiempo o clima cálido y desfavorable en condiciones de frío. Desniveles. En el caso de desniveles del exterior hacia dentro, descendentes, producen un mejor reparto de la luz exterior hacia el interior. Al contrario acontece en un desnivel ascendente, aunque mejora la visión hacia el exterior. En locales de audición, la pendiente o escalones es importante, donde la pendiente debe ser más acusada que la necesaria visualmente para evitar el efecto difractor de las cabezas de las personas. Térmicamente cualquier escalón produce una estratificación, por lo que en invierno se debe procurar captar la energía en el punto más bajo y la convección será la que realice el reparto. En cambio para verano es interesante el techo o cielo raso con desnivel que permita la extracción de aire caliente estratificado.

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Obstrucciones

Las obstrucciones sólidas, las obstrucciones con vegetales y la presencia de agua influyen sobre el comportamiento del edificio. Obstrucciones sólidas Estas, en general, limitan el aporte energético, lumínico y de ventilación. Serán convenientes las que paren las radiaciones a este y a oeste en verano. En cambio no serán deseables obstrucciones en SE, S y SO, e indiferentes las del lado norte. En cuanto al viento, las obstrucciones sólidas pueden modificar su dirección e intensidad. En nuestros climas es necesario considerar la dirección de los vientos dominantes en invierno (habitualmente NO y N) e intentar protegerse. En zonas húmedas es interesante favorecer vientos frecuentes en verano evitando obstáculos y buscando lugares donde su efecto sea más acusado. También estas obstrucciones tienen importancia respecto al ruido. La misma topografía puede servir para disminuir o acentuar la acción de un ruido. Las barreras acústicas siempre consiguen una acción positiva si interfieren la trayectoria recta de las ondas acústicas. En situaciones urbanas, la dirección de la trama en las direcciones E-O tiene mejores condiciones para captar la radiación. Obstrucciones vegetales Su efecto es similar a las que provocan las barreras sólidas, aunque consiguen temperaturas más bajas. Y tienen algunas ventajas, sobre todo en el caso de árboles de hoja caduca, pues permite el paso del sol en invierno. También, la obstrucción vegetal es mucho más agradable que una sólida. A efectos de viento su efecto será importante solo si el volumen de arbolado es importante. Los bosques mantienen sus condiciones climáticas, humedad uniforme, y cierta inercia térmica, auque pueden generar ruido. Presencia de agua Crea un efecto humidificador y refrigerador del aire que rodea al edificio debido a su evaporación. Da lugar a un descenso de la temperatura.

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Algunas obstrucciones se pueden generar como corrección del entorno, pantallas acústicas, arbo-

lado, cierta masa de agua, que se pueden añadir o limitar.

Futuro de la arquitectura bioclimática La arquitectura bioclimática es un desarrollo no casual, fruto de muchos años de trabajos de investigación y de aplicaciones prácticas, que han corrido en paralelo al resto de las reflexiones realizadas desde una lógica de conservación ambiental y de desarrollo sostenible, y que han significado una reflexión sobre el progreso científico-técnico del siglo XX y su coste ecológico. Es precisamente en las sociedades desarrolladas cuando, a finales de siglo XX, y una vez resueltos los problemas más acuciantes de asentamiento de la población y garantizado su nivel de vida, se asiste a un replanteamiento general de los procesos de producción industrial y de sus consecuencias en costes energéticos y ambientales. La construcción, como uno de los factores clave del desarrollo industrial, es uno de los primeros objetos de estudio en el campo de la adecuación ambiental, produciéndose numerosos trabajos sobre el tema, a partir, sobre todo, de las crisis energéticas de los setenta. Si en un principio los primeros trabajos realizados se dirigían exclusivamente al ahorro energético, en la actualidad el problema ha transcendido hacia el entendimiento de la arquitectura bioclimática como un proceso activo, donde el ahorro es un factor más a tener en cuenta, pero en el que la adecuación ambiental ha de entenderse como un sistema más amplio, modificador del sistema natural e interactuante con él, en todos los sentidos, desde los energéticos hasta los estéticos y funcionales. Sin embargo, la arquitectura bioclimática, aunque con un impacto mediático cada vez más extendido, sigue teniendo un peso real insignificante dentro de la producción arquitectónica mundial. En España, su desarrollo se encuentra limitado a las escasas iniciativas de promoción pública y a sectores muy aislados y concienciados de la iniciativa privada. Diferentes estudios avalan la capacidad de ahorro de energía de hasta un 70% en las soluciones arquitectónicas pensadas desde una lógica de adaptación y adecuación al clima,

en comparación a los usuales procedimientos de construcción tradicional, quizás en consonancia con las normativas de aislamiento, pero disparatados muchos de ellos si se observan desde una lógica ambiental más amplia.

IMPULSO LEGISLATIVO El desfase existente entre una evaluación económica del consumo energético y de su impacto ambiental a largo plazo, y el actual sistema de evaluación del coste de producción en el sector de la construcción, pensado en términos de rentabilidad a corto plazo y obviando el mantenimiento energético del edificio, dificulta una evaluación objetiva de las ventajas que aporta una arquitectura entendida desde la adecuación al medio natural. Habrá que esperar a la progresiva introducción de las normativas de ámbito nacional e internacional de evaluación del gasto energético en función de su equivalencia en gases contaminantes de efecto invernadero (CO2), para que se empiece a producir una concienciación real sobre la necesidad de entender la construcción como una parte fundamental en el problema del desarrollo sostenible. La aplicación real de las directrices de reducción de las emisiones de dióxido de carbono (93/76/CEE) llevada al sector de la construcción, producirá seguramente los ajustes necesarios para promocionar de forma estable y sostenida los edificios concebidos para conseguir una alta eficiencia energética. Hay que pensar, en este sentido, que la edificación supone ya, en los países industrializados, el 40% de la energía consumida, y el 20% de la contaminación emitida. El balance también resulta positivo a la hora de realizar una cuenta global. Los índices de sobrecosto al aplicar lógicas de adecuación bioclimática a la construcción han implicado, en España, una media de un 15% más sobre el coste de construcción de una vivienda tradicional, compensados sobradamente con los ahorros energéticos obtenidos, ya comentados, del orden de un 70%, y que, en el cómputo global re-


lacionado con la vida útil del edificio, supondría un ahorro neto total (costes de construcción más costes de mantenimiento) en torno al 20%.

SUCESIVAS ETAPAS DE IMPLANTACIÓN No se puede abordar la arquitectura bioclimática sobre el conjunto de los hogares. Es preciso analizarlo por etapas de adaptación. En el orden más sencillo, se encontrarían aquellos edificios que solo se preocupan de conseguir una alta eficiencia energética una vez construidos, sin incluir más variables ecológicas que las derivadas del ahorro energético a largo plazo. Se trataría de adecuar al máximo, desde el diseño del edificio y su resolución técnica y constructiva, el balance energético del mismo, aquilatando las ganancias y pérdidas a las necesidades del confort climático, pero obviando toda otra serie de relaciones más complejas que se pueden establecer entre ambiente y arquitectura. En un segundo orden se situarían aquellos parámetros en donde el balance energético global incluiría no solo la fase de vida útil del edificio, sino todo su proceso constructivo, desde la extracción de los materiales a su elaboración industrial, su puesta en obra, su uso, su reciclaje y su destrucción. En este caso, el balance energético global y su equivalencia en contaminación ambiental llevaría a un análisis pormenorizado de los materiales de construcción, y por tanto, a la utilización de aquellos menos costosos en términos energéticos (o en su equivalente, en contaminación ambiental), y al rechazo, o a la mejora, del sistema productivo de aquellos otros con costes elevados, capaces de anular las posibles ganancias energéticas obtenidas durante el tiempo de usufructo del edificio. Según este principio, se primarían más, por ejemplo, aquellas técnicas capaces de introducir en la construcción materiales procedentes del reciclaje (actualmente se hace, con más o menos intensidad, en los países nórdicos) y, a su vez, se fomentarían aquellos otros materiales que en su proceso de mantenimiento o sustitución puedan introducirse, a su vez, en un nuevo ciclo. En un tercer orden, se situarían aquellas edificaciones que no solo se preocupan de mantener buenos balances energéticos, sino también en adecuarse al medio en un sentido más extenso. Desde

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aquellas que se introducen en el paisaje, limitando el impacto visual de las construcciones, hasta aquellas otras que se preocupan por el mantenimiento de otros recursos naturales limitados, como la inclusión o el mantenimiento de la vegetación (fomentando la integración en la edificación de especies autóctonas) y el ahorro de agua (mediante la introducción de redes separativas de aguas grises y negras, la depuración selectiva por filtros verdes o la captación de agua de lluvia). Sistemas complementarios que, utilizados en beneficio de la edificación, son perfectamente compatibles e incluso coadyuvantes en el ahorro energético del edificio y en la obtención de las condiciones de confort deseadas. En cualquier caso, es importante señalar que, lejos de parecer un sistema basado en rígidos principios inmutables, la arquitectura bioclimática ha de caracterizarse por un radical alejamiento de posiciones dogmáticas. Si existe algo realmente flexible y variable es, precisamente, el medio natural, y una arquitectura que mantenga como filosofía la adecuación a este, debe ser capaz también de plantearse como un sistema abierto y adaptado al usuario, muchas veces marcado por factores extraños a la racionalidad ambiental. En este sentido, lejos de significar un problema, la arquitectura bioclimática (en realidad, como ha sucedido siempre con la buena arquitectura) ha de compaginar una serie de intereses que pueden ser, en cierta medida, contrapuestos. La flexibilidad de la arquitectura bioclimática debe permitir conseguir siempre un equilibrio entre todos los factores, y por tanto, alcanzar los objetivos posibles dentro de cada nivel de exigencia, que irá cambiando en relación con las necesidades, las condiciones y el grado de desarrollo socioeconómico. La evolución paulatina de la conciencia ecológica, en un supuesto optimista, permitirá que las soluciones planteadas sean cada vez más eficaces en términos energéticos, de confort, de calidad ambiental y, por supuesto, en términos económicos. Por último se tendría el modelo que se podría denominar posibilista. Se trata de introducir, paulatinamente, mejoras en el diseño arquitectónico y en la resolución constructiva de los edificios, de tal modo que con un pequeño incremento de costes, se obtengan notables beneficios en ahorro energético y adecuación ambiental. Es un mode-

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lo de probada eficacia, que no implica complejas transformaciones de la industria productiva actual (utiliza materiales habituales en el proceso constructivo), no interfiere en los planeamientos estratégicos de desarrollo y puede ser perfectamente asumible en costes por el conjunto de agentes que intervienen en el proceso inmobiliario: administración, promotores, técnicos, constructoras y usuarios. Un modelo en consonancia con las próximas normativas internacionales a aplicar en concepto de eficiencia energética y protección ambiental, y suficientemente flexible para adaptarse a diferentes necesidades y demandas económicas y sociales. Además, se trata de un modelo perfectamente adaptable a la idiosincrasia social y económica de cada lugar, y por tanto perfectamente compatible con las necesidades de desarrollo y sostenibilidad a las que se enfrentan los países del segundo y tercer mundo.

de Contratación Pública Verde de la AGE. El Plan hace suyo el objetivo del Plan de Ahorro y Eficiencia Energética de lograr un ahorro energético del 9% en 2010 y el 20% en 2016, y añade el de conseguir un ahorro de agua del 20%, además de la garantía de mejoras ambientales generales de los edificios en casos de rehabilitación integral o en el mantenimiento de los mismos. Se consideran, desde luego, todas las fases, desde la elaboración de los proyectos hasta la ejecución de las obras. En cuanto a materiales, en general, criterios como el de la utilización de materiales naturales próximos (frente a materiales elaborados o que requieran una gran cantidad de energía en su transporte), que sean fácilmente recuperables al final de su vida útil y con baja emisión, entre otros. En síntesis, el Plan de Contratación Pública Verde representa ante todo un gran paso hacia un verdadero cambio de hábitos en la gestión y el consumo.

PLAN DE CONTRATACIÓN PÚBLICA VERDE DE LA ADMINISTRACIÓN GENERAL DEL ESTADO

EL COSTE REAL DE LA VIVIENDA SOSTENIBLE

El Consejo de Ministros aprobó, a primeros de 2008, el Plan de Contratación Pública Verde de la Administración General del Estado (AGE), sus organismos Públicos y las entidades gestoras de la Seguridad Social. Se trata de implantar prácticas respetuosas con el medio ambiente en la contratación pública, de forma que se llegue en 2010 a la meta fijada por la Unión Europea en la Estrategia revisada para un Desarrollo Sostenible. El Plan establece objetivos cuantificados en la incorporación de criterios ambientales para adquirir y contratar grupos de productos, servicios y obras considerados como prioritarios, lo cual de ninguna forma debe suponer mayor gasto presupuestario. Todas las medidas contenidas en el Plan conceden plazos razonablemente dilatados (desde 2010 hasta 2015), con el objeto de que los mercados puedan adaptarse sin dificultad. Las exigencias contenidas en las normas o certificaciones solicitadas responden a niveles actualmente disponibles, por lo que las adquisiciones de productos ecológicos podrán realizarse sin dificultad. Cada grupo de productos cuenta con objetivos específicos establecidos en el texto del Plan

Desde 2006, el Código Técnico de la Edificación lleva tiempo siendo uno de los grandes protagonistas de las noticias sobre el sector inmobiliario en nuestro país. En una gran mayoría de esas noticias, se advierte sobre las consecuencias negativas que podría tener la aplicación del Código sobre el coste final de las viviendas. Algunos promotores auguran un encarecimiento en el coste de hasta un 10%. Actualmente, se perciben dos grandes grupos dentro de la oferta residencial. Por un lado, están todas aquellas viviendas que comenzaron a proyectarse y comercializarse antes de la aprobación del Código Técnico (CTE). Por otra parte, están todas aquellas que han salido al mercado posteriormente y que, por tanto, ya incluyen las medidas sobre sostenibilidad y eficiencia energética del CTE. Y entre ambos tipos de viviendas existe, efectivamente, una diferencia en lo que a su coste final se refiere. La primera tipología de viviendas, por tanto, cuenta con un atractivo para el interesado en adquirir una casa, que es un menor coste. Hay que recordar que, aunque no se apliquen en dicha vivienda las obligaciones establecidas por el CTE, se trata de un inmueble legal siempre que su tra-

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mitación fuese anterior a la aprobación del mismo. Por tanto, las personas que buscan una casa podrían tener aquí una opción para pagar menos por la misma. El problema radica en la afirmación del incremento de coste. Si bien es cierto que la aplicación del CTE se está dejando notar sobre el coste final de la vivienda, no es menos cierto que vivir en una casa que dispone de la infraestructura obligatoria para garantizar la eficiencia energética supone un considerable ahorro en las facturas de agua, luz, calefacción… Las personas que viven en edificios sostenibles ya están notando en sus bolsillos los beneficios. La Tabla 32.4 pone de manifiesto un ejemplo. Por otra parte, hay otra consideración que debe valorarse, y que, sobre todo, hay que hacer extensiva a los ciudadanos. Comprar una vivienda que

no disponga de las instalaciones requeridas por el CTE es más barato hoy. Pero, en un breve periodo de tiempo, todas las viviendas estarán obligadas a adaptarse a lo establecido en el Código. Adaptar una vivienda ya construida al CTE resultará más caro que el coste añadido que supone incorporar estas infraestructuras a una vivienda de nueva construcción. Las gestoras de cooperativas de viviendas cuentan con un conocimiento de primera mano de lo que la sociedad demanda en materia residencial, puesto que, en definitiva, se ponen al servicio de las demandas de los cooperativistas. Los miembros asociados a GECOPI han recogido la preocupación por el ahorro energético y los problemas medioambientales, y han sido capaces de dar una respuesta a los ciudadanos que quieren adquirir una vivienda en régimen de cooperativa.

Tabla 32.4. Ahorro energético en calefacción y agua caliente sanitaria en caso de una vivienda poco eficiente o muy eficiente. Tasa de ahorro energético

70%

Consumo vivienda poco eficiente (PE)

10.974

kWh/año

Consumo vivienda muy eficiente (ME)

3.292

kWh/año

EFICIENCIA TÉRMICA

1ª año

2ª año

3ª año

4ª año

5ª año

TOTAL

Escenario incremento

4,0%

5,0%

6,0%

7,0%

8,0%

€

0,0311

0,0323

0,0339

0,0360

0,0385

0,0416

Coste anual consumo térmico (PE)

341

355

373

395

423

456

2.342

Coste anual consumo térmico (ME)

102

106

112

118

127

137

703

Precio kWh (térmico) €/kWh

Ahorro en 5 años

1.639

Las posibilidades de la EE RR y la arquitectura bioclimática La arquitectura bioclimática muestra un potencial de aprovechamiento de las EE RR enorme. Además de la captación de la energía solar pasiva a partir de los elementos estructurales del edificio vistos en apartados anteriores, existen otras posibilidades de aprovechar las energías renovables en los edificios. Hoy en día se disponen de equipamientos específicos capaces de transformar la energía del sol, del viento y de la biomasa en energía útil. Los más habituales son los paneles solares, los aerogeneradores y los sistemas que aprovechan la biomasa. La primera es la que tiene mayor aplicación, mientras que los aerogeneradores es la que

menos aplicación tiene en el campo de la edificación, pues se están desplazando a grandes instalaciones con elementos cada vez de mayor potencia. Respecto a calderas que utilicen la biomasa es un sector muy evolucionado en Europa, en cambio en España el mercado de la biomasa es todavía muy incipiente. Sin embargo, sus posibilidades de aplicación van a ser necesariamente lentas, no obstante es conveniente ir enunciando las posibilidades. La Figura 32.10 muestra, en datos de 2004, el consumo final de energía, en porcentaje, en los hogares españoles en comparación con la UE-25.

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Figura 32.10. Consumo final de energía, en porcentaje, de los hogares españoles en comparación a los de la UE-25. (Fuente: Eurostat).

Del gráfico cabe destacar: •

•

•

El uso de las EE RR por parte de España se halla unos 4,5 puntos porcentuales por debajo de la media de la UE-25, cuando las posibilidades de las renovables en España son muy elevadas. El consumo eléctrico en los hogares españoles en porcentaje es muy superior a la media de los de la UE-25. Sin embargo si se consulta la Figura 26.7 se observa que el consumo eléctrico de los hogares españoles es muy inferior a la media de la UE-15 y se acerca a la del UE-27. El notable aumento del consumo eléctrico ligado a una mejora de los equipamientos en los hogares ha sido decisivo para alterar la intensidad energética en los hogares españoles. En 1990 la media de consumo eléctrico en los hogares en concepto de iluminación y electrodomésticos se situaba muy por debajo de la media de la media europea. En 2005 la media española se situó en 4.250 kWh/año y hogar, superando la media de la UE-27 que no llegaba a los 4.100 kWh/año y hogar. El consumo de gas natural es inferior en España. No obstante, en los últimos años esta diferencia se está acortando ya que la red nacional de este combustible es cada año más extensa y los promotores de viviendas lo van usando.

Hay que recordar que España, a diferencia de la mayoría de los países de la UE, por estar situada en una latitud menor goza de una insolación mayor y sus posibilidades de calefacción solar térmica, así como generación solar fotovoltaica, son muy grandes. En contrapartida, los españoles vivimos en ciudades con una densidad de habitantes por superficie mucho mayor que la media de la UE, lo que dificulta el empleo de las EE RR ya que se trata de fuentes de baja intensidad. Otra de las fuentes proveedoras de EE RR más prometedoras es la energía geotérmica. Esta presenta una buena perspectiva en el campo de la edificación, y que puede aplicarse a pequeños edificios o grandes complejos, ya que permite captar la energía a cierta profundidad del terreno para su aplicación con bombas de calor específicas al ACS, calefacción e incluso a la refrigeración. En muchas partes de nuestra geografía basta con perforar cien metros para encontrar una temperatura adecuada para calentar directamente el agua precisa para la calefacción y el agua caliente sanitaria. Además, hay que hacer constar que el nuevo Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE), por el cual se regulan las exigencias de eficacia energética y de seguridad que deben cumplir los sistemas de calefacción, que entró en vigor en marzo de 2008, obligará a sustituir todas las calderas de carbón por otro combustible más limpio antes del 1 de enero de 2012.


RADIACIÓN SOLAR España es uno de los países europeos que más radiación solar recibe por unidad de superficie a lo largo del año. El aprovechamiento de esta, así como todo tipo de energía renovable es de sumo interés por el ahorro energético, rentabilidad económica, reducción de nuestra grave dependencia energética del exterior, así como de la utilización de los recursos propios. La radiación solar puede aprovecharse por captación térmica solar y por fotovoltaica. Sistemas de captación térmica solar

La principal aplicación de la captación de la radiación solar es la producción del agua caliente sanitaria, pero también es un complemento como apoyo de la calefacción y de sistemas de refrigeración. En cualquier caso las instalaciones de energía solar necesitan un apoyo de sistemas convencionales de producción de agua caliente con calderas de gas, gasóleo, etc. La entrada en vigor del Código Técnico de la Edificación (CTE), obliga a la utilización de la energía solar térmica en todos los edificios de nueva construcción. El aprovechamiento de la energía solar para la refrigeración también es una posibilidad a tener en cuenta. En los últimos años ha aumentado mucho la implantación de la refrigeración en los edificios con el fin de lograr unas condiciones de confort aceptables en verano y también en algunos meses

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de la primavera y del otoño. Es una de las aplicaciones con mayor futuro y que se desarrollará con cierto detalle en los siguientes subapartados. La energía solar térmica se fundamenta en el aprovechamiento térmico de la radiación solar, sobre un captador que permite calentar un fluido (generalmente agua con aditivos) que circula por su interior. Este calor se transmite al agua de consumo mediante un intercambiador y normalmente queda acumulado en un depósito preparado para su uso posterior. Los depósitos acumuladores sirven para suministrar la ACS en todo momento, incluso cuando no hay radiación solar suficiente o cuando hay puntas de consumo. Los captadores más utilizados son los planos (Figura 32.11). Existen infinidad de marcas y modelos con los que cada vez se consiguen mejores rendimientos. Estos sistemas nunca se diseñan para cubrir todo el consumo, por su discontinuidad en la captación y la magnitud que debería alcanzar la instalación, que terminaría por no ser rentable. Por ello, como ya se ha comentado, requieren un sistema de apoyo convencional para calentar el agua. Algunos de estos sistemas pueden ser con caldera, con bomba de calor, que además puede utilizarse para calor y frío. Algunos sistemas de captación llevan asociado un depósito, se conocen como equipo compacto termosifónico (Figura 32.11), estos pueden ser forzados o no en función de si llevan bombas de impulsión o el agua circula por los captadores

Figura 32.11. Captador solar y equipo compacto termisifónico.

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aprovechando la circulación natural del agua caliente. Con los sistemas solares se pueden alcanzar ahorros de entre el 50 y el 80% comparado con los sistemas convencionales. El coste de estos equipos es de alrededor de 800-900 €/m2 y su vida útil es superior a los veinte años. En los edificios de viviendas el CTE exige que la radiación solar aporte como mínimo el 30% de la energía para ciertas regiones, aunque pueden llegar hasta los 50-80% de las necesidades. La superficie de captación necesaria oscila entre 1,5 y 3 m2 por vivienda. La amortización de estas instalaciones se estima alrededor de los diez años en el caso de instalaciones con gas (precios de 2007), y de unos cinco años si el combustible fuera electricidad. En los próximos subapartados se desarrollarán varias aplicaciones de la captación solar, con más detalle, y sobre todo dirigidas a la obtención de un mayor confort con el suelo radiante y con la refrigeración. Calefacción por suelo radiante En la calefacción por suelo radiante es este el que radia el calor de abajo hacia arriba, incidiendo

sobre los cuerpos sólidos (suelo, muebles, paredes, personas, etc.) elevando su temperatura. La temperatura del suelo es prácticamente la misma que la de la superficie de la habitación, con ello el reparto de temperaturas es uniforme en toda la superficie. Por otro lado, la temperatura es muy reducida (de 23 a 20 oC), con lo que no se generan corrientes de aire interiores. La Figura 32.12 muestra de manera esquemática la calefacción ideal y la de suelo radiante, entre otras. El principio de funcionamiento es el siguiente. Sobre una superficie aislante (de 2 a 5 cm de poliestireno expandido) se coloca una red de tuberías de plástico por donde circulará el agua caliente. Una vez fijada la distribución de las tuberías se aplica una capa de hormigón (de 6 a 10 cm) denso que embebe las tuberías. Sobre esta capa de hormigón se añade el acabado definitivo (cerámica, parquet, moqueta, etc.). En función precisamente del poder de aislamiento térmico del acabado se fijará la temperatura de circulación del agua caliente. En promedio esta suele estar comprendida entre 30 y 50 oC. Al tratarse de un sistema de calefacción a baja temperatura permite usar energías alternativas como colectores solares o bomba de calor o cal-

Figura 32.12. La calefacción por suelo radiante.


deras de apoyo (eventualmente en zonas donde la energía eléctrica es muy barata, como en Norteamérica, se puede emplear esta fuente de energía). Cabe señalar que el sistema tradicional de radiadores o convectores funciona, por lo general, con temperaturas elevadas, a 80 oC de temperatura de ida y 60 oC de retorno. Esto provoca corrientes convectivas que calientan más la parte superior de la habitación que la inferior o intermedia, que es la que necesita más nivel térmico. En cambio el suelo radiante trabaja con temperaturas entre 30 y 50 oC de ida y 23 y 42 oC en el retorno. Todo ello supone un ahorro energético notable y un nivel de confort superior, de ahí su desarrollo. Desde el punto de vista de la reutilización de residuos, la formulación del hormigón permite la inclusión de cenizas volantes que densifiquen el hormigón y por tanto que aumente tanto la conductividad térmica como la acumulación de calor. Calefacción solar y con bomba de calor aire/ agua para suelo radiante/refrescante Una variante del anterior apartado puede consistir en aprovechar una bomba de calor con capacidad de producir frío con el fin de tener, además, un suelo radiante/refrescante en los meses más calurosos. Este sistema puede tener especial interés en zonas de mayor insolación, zona climática V según el CTE para una casa aislada. Con ello se cubrirán las necesidades energéticas de ACS y calefacción, además de un mejor confort cuando hace calor con la misma instalación. La instalación de ACS se puede realizar con paneles solares, pero también contará con un termo eléctrico como sistema de apoyo, de acuerdo a las indicaciones del DB-HE4 del CTE, para las épocas de baja insolación. Esta solución es la lógica ya que no tendría mucho sentido colocar una caldera de gas de apoyo. Otra instalación distinta, posible, sería una instalación solar con caldera de gas para calefacción y apoyo a ACS. Cualquiera que sea la tecnología elegida, deben determinarse las necesidades energéticas. Para la ACS, el CTE en su HE4, apartado 3.1.1, determina 30 l/día a 60 ºC y persona, lo que permite evaluar la demanda del ACS, que será homogénea durante todo el año. Además, según el CTE se debe asegurar una contribución mínima del 70% anual en el caso

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de la energía térmica solar. Atendiendo a estos valores y al volumen de acumulación de agua caliente, puede determinarse el número de captadores. En estos se debe tener en cuenta su curva de rendimiento, diferencia de temperaturas entre la media del fluido del colector y la media del ambiente, y la radiación de la zona. Es conveniente no disponer más paneles de los necesarios ya que se puede incumplir el ratio V/A (volumen de acumulación y área de instalación) que debe estar entre 50 y 180, pues encarece la instalación de forma innecesaria. La inclinación de los paneles de captación debe valorarse en cada zona entre 25º y 55º. Para el ACS, que es necesaria durante todo el año, se sitúa alrededor de los 35º, aunque se observarán mayores ahorros en invierno si las inclinaciones son de 45 a 55º. La aplicación de calefacción por radiación solar, en la que la demanda se produce en invierno, la inclinación de los captadores suele escogerse al menos 10º más que la latitud de la localidad en cuestión. Habitualmente en el cálculo de la carga de calefacción se emplea el método de los gradosdía. Este se basa en el hecho de que la cantidad de calor necesaria para mantener la temperatura interior depende de la diferencia de temperaturas entre ambiente interior y exterior. De esta forma se evalúa la carga mensual de calefacción de una vivienda, que será proporcional al número de grados día, la superficie exterior del edificio y el coeficiente global de pérdidas del edificio. En este tipo de instalaciones debe considerarse una acumulación tampón o volumen de inercia para cubrir como mínimo la inercia de una hora de funcionamiento de la instalación de suelo radiante sin sol. Desde el punto de vista económico la relación entre el volumen de inercia y el área de instalación deberá situarse entre los 50 y 100 l/m2. Respecto a las orientaciones, las más adecuadas son las SSE-S-SSO. Entre más menos 20º de azimut respecto a la orientación sur exacta no suelen diferir en más de 5%, siendo ligeramente superiores los de desviación SSO debido a su mayor número de horas de sol por la tarde en periodos estivales. Así, aunque se recomienda una orientación lo más exacta hacia el sur, no supone un factor determinante. Se puede optar o no por realizar instalaciones independientes de ACS de la del suelo radiante. A su favor llevan una mayor simplicidad, pues el ACS

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tiene unas necesidades prácticamente constantes, mientras que la del suelo radiante es muy variable. En una instalación de este tipo debe considerarse una vida útil de veinte años, un coste de 650 a 950 € por metro cuadrado y unos costes de operación y mantenimiento en torno los 180 € al año. Refrigeración solar por absorción El uso de energía solar para enfriamiento de recintos o acondicionamiento de aire tiene un gran atractivo porque hay una buena relación entre el suministro de energía y la demanda de enfriamiento, y por la posibilidad de usar una parte de todo el sistema de calentamiento solar para el acondicionamiento del aire. En el caso de España el problema es especialmente importante ya que los picos máximos de demanda eléctrica que antaño tenían lugar siempre en invierno, desde el año 2006 en algunas regiones de España, acontecen en verano debido a la gran cantidad de acondicionadores de aire instalados. Se han propuesto varios sistemas básicos para el acondicionamiento de aire a partir de la energía solar, como en el anterior apartado en que se aprovecha la función de producción de frío de la bomba de calor. Sin embargo hay sistemas propios para la refrigeración como los de deshumectación y de enfriamiento por absorción, ambos accionados por la radiación solar. Estos sistemas requieren equipos e instalaciones especiales en las que cada vez hay más experiencia, y en los que conviene tener un importante respaldo tanto en el diseño como en la ejecución, puesta en marcha y explotación de la instalación. El funcionamiento de una máquina de absorción se detalla en el Capítulo 36.

Entre las primeras tienen aplicaciones agrícolas de todo tipo (bombeo, riego invernaderos, depuración de aguas), en la señalización (de carretera, ferrocarriles, aérea,) y comunicación (repetidores de radio y televisión, de telefonía móvil, etc. En las instalaciones conectadas a la red en las centrales fotovoltaicas de cualquier potencia, e incluso integradas o superpuestas en la envolvente de los edificios, en sus fachadas o cubiertas. En estas instalaciones la inversión se recupera mediante la venta de la energía a una tarifa regulada en un plazo de amortización de entre diez y doce años (véase RD 661/2007, la valoración efectuada con precios de 2006). En las centrales es bastante corriente el realizar el seguimiento solar en dos ejes para obtener un incremento del rendimiento que puede llegar al 40%. En los edificios los módulos pueden colocarse superpuestos sobre fachadas o cubiertas o integrados en el edificio (Figura 32.13), cumpliendo la función energética y arquitectónica.

Energía fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica es otra de las aplicaciones importantes de la radiación solar. Se basa en el efecto voltaico que convierte la energía de la radiación solar en eléctrica en cada una de las células fotovoltaicas. Agrupándolas convenientemente se obtienen los paneles fotovoltaicos. Estos permiten desde pequeñas instalaciones autónomas, hasta centrales productoras de electricidad. En general existen estos dos tipos de instalaciones: aplicaciones aisladas y aplicaciones conectadas a la red.

Figura 32.13. Paneles fotovoltaicos integrados en la fachada del edificio.

Actualmente incluso existen “vidrios fotovoltaicos” que se integran perfectamente a la fachada, prácticamente indistinguibles respecto a un acristalamiento convencional. Generan electricidad en días nublados y no necesitan radiación directa. La placa está fabricada con una capa delgada de silicio


amorfo, de aproximadamente 0,3 μ, aplicada sobre vidrio con tecnología laser y ensamblado en laminar posteriormente. Este vidrio, además de generar electricidad, se puede combinar en doble acristalamiento y colocarse en una fachada aportando el correspondiente aislamiento térmico, acústico, de seguridad y según las distintas transparencias del conjunto disminuir la entrada de radiación solar directa y ultravioleta. El CTE en su HE-5 obliga a que determinados edificios y a partir de una determinada superficie (hipermercados, naves de almacenamiento, hoteles, hospitales, etc.) tengan la obligación de colocar sistemas fotovoltaicos. Las viviendas no tendrían la obligación de instalar esta tecnología. La energía fotovoltaica es una opción tecnológica que posibilita la producción de electricidad en una casa. Es el extremo de la microproducción de electricidad producida en el mismo lugar en que se consume, situación que no está contemplada legalmente. Así la fundación Terra espera vender 150 “electrodomésticos solares” para reclamar a la administración que facilite a los usuarios la posibilidad de producir y consumir este tipo de energía limpia. Este dispositivo está constituido por una placa fotovoltaica de 120 Wp colocada en una azotea o terraza, que puede conectarse a la red, con el correspondiente microinversor que transforma la energía de la placa en corriente eléctrica alterna, para ser usada en el propio hogar. El módulo puede llegar a producir unos 144 kWh al año, alrededor del 10% del consumo medio de una persona, con

Figura 32.14. Efecto Seebeck y efecto Peltier.

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un coste inferior a los 1.000 € y con una recuperación de la inversión inferior a los 20 años. Las ventajas de este tipo de dispositivos son el ahorro, al suprimirse el transporte de la electricidad, y la reducción de las emisiones que generaría el consumo de electricidad convencional. Además, al producir la electricidad en la propia casa, el 80% de la energía primaria se aprovecha, mientras que en los sistemas tradicionales, centrales térmicas y de ciclo combinado, más del 50% de la energía se pierde en su proceso de transformación, aparte de la pérdida de un 7% en el transporte. Otros proyectos de aprovechamiento de la radiación solar para el futuro

Actualmente hay muchos proyectos, experiencias y posibles desarrollos que en un futuro pueden aportar una mejora en el aprovechamiento de la radiación solar en la eficiencia energética de los edificios. El aprovechamiento de la termoelectricidad por efecto Seebeck y su fenómeno inverso, efecto Peltier, están en esta línea desde hace algún tiempo. El fundamento de estos dos efectos estriba en que cuando existe una diferencia de temperaturas entre dos soldaduras o contactos de dos materiales conductores o semiconductores distintos se genera una corriente eléctrica, o a la inversa, haciendo pasar una corriente a través de ellos se consigue crear una diferencia de temperaturas entre ambas soldaduras (Figura 32.14).

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Existen células comerciales de materiales semiconductores, con dimensiones de unos milímetros, que sin ninguna pieza móvil aprovechan los citados fenómenos termoeléctricos. Estas células pueden conectarse en serie y/o en paralelo para conseguir la cantidad de electricidad, calor o frío requeridos (Figura 32.15), y tienen múltiples aplicaciones, sobre todo en electrónica, aunque también tienen en otros campos, por ejemplo en bolsas-neveras de refrigeración utilizadas en un automóvil. Sin embargo estas células tienen poca eficiencia en su conversión termoeléctrica por lo que su uso actualmente se circunscribe a algunas aplicaciones especiales en que los sistemas más convencionales no tienen cabida. La posibilidad de utilizar la nanotecnología, con la que se consigue una mayor eficiencia en los dispositivos termoeléctricos, junto con el encarecimiento de la energía está insuflando nuevas posibilidades a su aplicación. Para la producción de tales materiales se emplean máquinas como las utilizadas para fabricar los LED. Se aplica una capa de cinco nanómetros de teluro de antimonio sobre una capa de teluro de bismuto y se va repitiendo esta operación hasta crear una película semiconductora que permite los efectos Seebeck y

Peltier. La película puede estructurarse con mucha precisión, por lo que resulta adecuada para enfriar chips de manera muy precisa o hacer funcionar minúsculos reactores en el que se reproduce DNA mediante un cambio rápido y controlado de temperatura. Es perfectamente concebible que con los aumentos de eficiencia que se están consiguiendo, estos elementos se conviertan en una opción tecnológica de toda la industria del frío. Por otra parte el que disponga de fuentes baratas de calor, como el calor geotérmico o la radiación solar, puede producir electricidad a precios muy rentables con estas capas termoeléctricas. Por tanto también es una vía de futuro de la edificación, tanto para la producción de frío, calor o incluso electricidad de una manera silenciosa, eficiente y casi invisible. Otro proyecto muy distinto es el Fotoglass, que consiste en crear unos baldosines vítreos capaces de emitir luz durante horas en la más completa oscuridad después de ser activados por luz. El objetivo es elaborar señalizaciones para lugares poco iluminados, aunque su aplicación se puede extender a más aplicaciones, como decoraciones en fachadas exteriores e interiores. Este proyecto está en marcha entre el Grupo de Óptica de la Universidad de Cantabria en colaboración con la empresa

Figura 32.15. Células termoeléctricas con las que se consigue obtener electricidad, calentar o enfriar.


italiana de pavimentos Hirsa, y está avalado por su reconocimiento por el tercer premio del Concurso de Empresas de Base Tecnológica del Grupo Sodercam. El proceso consiste en fabricar baldosines vítreos sinterizados a partir de vidrio reciclado, al que se le ha aplicado un esmalte con el pigmento fosforescente. Entre sus propiedades hay que resaltar el que es resistente a agentes agresivos externos, ignífugo, no tóxico ni radiactivo, reciclable y de fácil limpieza. La cantidad de luz y duración de la emisión emitida depende del pigmento y concentración en el esmalte. En la línea de producir materiales innovadores a la carta, varios investigadores (Universidad Politécnica de Valencia, FMC Foret y CERACASA) han realizado un nuevo material fotocatalítico que transforma continuamente los contaminantes NOx de la atmósfera en NO3- al ser iluminado con luz solar o ultravioleta. En las pruebas se ha utilizado como soporte del material fotocatalítico una cerámica porcelánica esmaltada que puede constituir el elemento constructivo del exterior de un edificio, y por tanto expuesto a la iluminación solar. En el esmalte se encuentra el componente activo, constituido por TiO2 y potenciadores, que presentan una elevada actividad fotocatalítica transformando continuamente los NOx de la atmósfera en NO3; este es soluble en agua, por lo que los centros activos se regeneran mediante el simple lavado natural durante los periodos de lluvia o humedad ambiental. La iluminación hace que la fase gaseosa con NOx se oxide a ácido nítrico o a nitrato, totalmente inocuo, en la superficie, y una parte se convierta a NO2, gas inerte no perjudicial para la salud. El producto tiene una actividad fotocatalítica permanente que no necesita mantenimiento. Se trata de un material biónico, que imita en lo posible a la naturaleza, actuando como un producto anticontaminación perfecto. En las medidas realizadas en laboratorio utilizando una lámpara ultravioleta se ha evaluado que el material es capaz de descomponer 33 mg de NOx por m2 y minuto, lo que equivale con luz solar a la descomposición de 0,52 mg NOx por m2 y por minuto. Suponiendo una irradiación de doce horas de luz solar por día, la reducción de contaminantes de NOx sería de 374 mg de NOx por m2 y día. El trabajo está respaldado por numerosas pruebas en el ámbito semiindustrial

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y ha sido galardonado con el premio Alfa de oro en Cevisama 2009. Otro proyecto sorprendente por su simplicidad es el aprovechamiento del calor que se acumula en el asfalto de calles y carreteras. Científicos del Instituto Politécnico de la universidad inglesa de Worcerster, en relación con la empresa Novotecn Inc., han puesto de manifiesto que el poder calorífico del asfalto puede aumentarse muy significativamente añadiendo componentes de alta conductividad como la cuarcita. En estas condiciones la energía calorífica acumulada en el asfalto puede recogerse a través de intercambiadores de calor, ubicados a unos pocos centímetros de la superficie, pudiendo emplearse la energía para la climatización de edificios, con sistemas de absorción, o bien en procesos industriales de baja temperatura. Además, al evacuar el calor del pavimento, se consigue eliminar parte del efecto de bochorno de las “islas de calor” que afectan a muchas ciudades de España en verano. Este sistema no presenta impacto visual. El coste efectivo de la energía obtenida del asfalto, actuando como colector solar, fue presentado en el Simposium Annual of the International Society for Asphalt Pavements en Zurich, agosto de 2008, donde se mostró su competitividad y la posibilidad de su aplicación en carreteras, parkings, etc.

ENERGÍA DE LA BIOMASA La biomasa es toda aquella materia orgánica de origen vegetal o animal, incluyendo residuos, susceptibles de su aprovechamiento energético. Los hay de muchos tipos: forestales, agrícolas, de cultivos energéticos, de residuos de múltiples industrias forestales y agrícolas. En España hay combustibles de biomasa sólidos como los de orujo de aceite y de uva, huesos de aceituna, cáscaras de frutos secos, residuos de montes y de la industria forestal, etc. Es un sector industrial en expansión, tanto en su producción, preparación y distribución, en unas condiciones adecuadas para su utilización en el mercado. Entre los usos tradicionales de la biomasa está el aprovechamiento de leñas en viviendas unifamiliares. Sin embargo no hay que pensar en viejos sistemas, estos han evolucionado muchísimo y son realmente eficientes. En viviendas y edificios de grandes ciudades también puede utilizarse

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la biomasa para la calefacción y al ACS. En cualquier caso se debe ponderar las ventajas e inconvenientes que la biomasa representa respecto a otros combustibles: •

• •

Es un combustible más seguro que el gasóleo y el gas, por tratarse de un combustible sólido con bajo riesgo de explosión y de emisiones tóxicas. Ocupa más espacio que el gasóleo y un poco más que el carbón. Necesidad de limpieza y retirar las cenizas producidas, aunque pueden ser compactadas automáticamente por la caldera, como sucede con el carbón.

En el mercado existe una amplia gama de modelos de calderas para biomasa, tanto para viviendas unifamiliares como para edificios. Estas tienen sistemas de alimentación de combustible en continuo y automatizado y limpieza automática de cenizas, intercambiador con rendimientos de hasta el 90%, con correcta combustión. También hay sistemas de compactación de cenizas que evitan tener que retirarlas todos los días, reduciéndola a dos o tres veces por temporada. Hay que recordar que además supone un balance neutro en la emisión de CO2, pues cierra el ciclo del CO2 que realizaron las plantas al absorberlo durante su crecimiento.

ENERGÍA EÓLICA La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al emplearse fundamentalmente para producir electricidad. El viento hace girar las palas de las máquinas eólicas transmitiendo su movimiento a un generador que produce electricidad. Esta tecnología está en su fase de madurez y presenta un gran desarrollo comercial. Los aerogeneradores son cada vez de mayor potencia, 3 y 4 MW, y se sitúan en zonas de vientos, constituyendo verdaderas plantas de producción de energía de miles de kW. Sin embargo, el principal inconveniente es su intermitencia. La baja densidad energética de la energía eólica por unidad de superficie trae como consecuencia la necesidad de proceder a la instalación de máquinas cada vez más grandes, y en un número mayor para

el aprovechamiento de los recursos disponibles. El ejemplo más típico está representado por los “parques eólicos” que constituyen verdaderas plantas de generación eléctrica. En la edificación esta tecnología se conoce por minieólica, y según la normativa corresponde a rotores de diámetro inferior a los 15 m, con un área barrida de 200 m2 y potencia unitaria de 0 a 5kW o incluso de 10 kW. Se puede utilizar en granjas, urbanizaciones, viviendas aisladas, o incluso en la integración urbana. También existe un incremento de la demanda de instalaciones híbridas eólicofotovoltaico o eólico-fotovoltaico-diesel para sistemas aislados, sobre todo en países en vías de desarrollo. Sin embargo la energía minieólica a día de hoy tiene unas características de desarrollo muy diferentes al del resto de fuentes de generación renovables. Desde un punto de vista tecnológico, no existe madurez en el sector (dispersión de parámetros, fabricación bastante artesanal, lazos de regulación mayormente pasivos), su fiabilidad y eficiencia es mejorable (falta de mecanismos de certificación, falta de documentación) y tiene aplicaciones aisladas. Desde el punto de vista económico, tiene un alto coste específico (€/kW), y precisa un apoyo importante en la gestión de permisos, acceso a la red y en la certificación. Entre las ventajas se pueden nombrar: •

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El consumo típico residencial es de 800 a 2.000 kWh/mes y un aerogenerador de 1,5 kW produce entre 2.000 y 3.000 kWh de media, evitando la emisión de alrededor de 1,4 toneladas de CO2. Puede suministrar electricidad en lugares aislados y alejados de la red eléctrica. Causa menor impacto visual que las máquinas grandes. Genera energía junto a los puntos de consumo, por lo que reduce las pérdidas en el transporte. Es accesible a muchos usuarios, sin apenas necesidad de obra civil, y su instalación es sencilla. Estimula la concienciación personal del problema energético. Funciona con vientos moderados y no requiere de estudios de viabilidad complicados.


Entre los inconvenientes hay que citar: •

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La energía minieólica se utiliza normalmente en lugares con bajas velocidades medias anuales, ya que el lugar de instalación viene impuesto por el usuario. Además, su instalación se realiza a baja altura, donde existe flujo turbulento, y en el caso urbano, además de flujo turbulento, suele ser inclinado. Es necesario todavía reducir las emisiones de ruido acústico y las vibraciones.

ENERGÍA GEOTÉRMICA La climatización geotérmica constituye una alternativa renovable para la refrigeración, calefacción y ACS de edificios. Los sistemas habituales de climatización de edificios usan unidades de refrigeración/calefacción, o bombas de calor, situadas en techos o terrazas que funcionan mediante la cesión o extracción de calor del propio aire ambiente. En contraposición, en los sistemas geotérmicos, se extrae o cede calor al suelo que rodea el edificio mediante un circuito de agua enterrado. La tecnología de climatización geotérmica de edificios se utiliza habitualmente, desde hace años, en Estados Unidos o en el norte de Europa, y aunque en nuestro entorno no ha tenido apenas repercusión, actualmente está abriéndose camino como una alternativa viable dentro del abanico de las energías renovables con varias empresas especializadas, con experiencia en Europa, que han realizado ya algunas instalaciones en España. La Universidad Politécnica de Valencia está llevando a cabo una experiencia con una planta piloto de energía geotérmica, Proyecto GeoCool. En esta se ha adaptado la climatización geotérmica a las particulares condiciones climáticas de España, especialmente influidas por la necesidad de refrigerar, a la tipología de los edificios y a las características específicas de nuestro clima. El proyecto permite evaluar con precisión las grandes posibilidades de esta EE RR en nuestro país. Dicha planta piloto, que cuenta con seis perforaciones de 50 metros de profundidad, es una instalación singular y única en el mundo, no solo por contar con un sofisticado sistema de monitorización que permite un exhaustivo conocimiento de todos los parámetros que definen el sistema, sino

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por su propio concepto: se trata de una instalación que incluye tanto el sistema tradicional de climatización como el novedoso sistema geotérmico. La presencia de ambas opciones para climatizar el mismo espacio permite hacer una comparativa rigurosa de las prestaciones de ambas tecnologías. Tras dieciocho meses de funcionamiento alterno de ambos sistemas se ha concluido que la alternativa geotérmica conlleva ahorros del orden del 50%. Una bomba de calor geotérmica es una bomba de calor que incorpora un intercambiador enterrado. El suelo, debido a su gran capacidad térmica, puede servir como fuente o sumidero de calor, ofreciendo a la bomba de calor condiciones de trabajo relativamente constantes. Debido a su propio aislamiento, la temperatura del terreno es más moderada a lo largo del año que la del aire exterior, por tanto, cuando el aire esté frío, la tierra estará más caliente y viceversa (Figura 32.16). Algunas de las ventajas de los sistemas de climatización geotérmica frente a sistemas con tecnología convencional pueden resumirse en: •

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Ahorro energético: el funcionamiento de una instalación de bomba de calor geotérmica se basa en el aprovechamiento del terreno como foco de intercambio térmico con una bomba de calor. En invierno, el terreno está más caliente que el aire, por lo que se incrementa la eficiencia de la bomba de calor. En verano ocurre algo similar: se está cediendo calor al exterior y, como el terreno está más frío que el aire, este admite mejor dicha cantidad de calor, por lo que se aumenta la eficiencia de la bomba. Como se ha comentado este sistema de climatización produce ahorros del orden de un 50% en la factura eléctrica. Disminución de ruido: con la alternativa geotérmica se eliminan fuentes de ruido, como las asociadas a las unidades exteriores convencionales de climatización. De esta manera, la opción geotérmica reduce la contaminación acústica del medio. Menor impacto estético: se reduce el impacto visual asociado a las unidades de techo/fachada que aparecen en los edificios, ya que la tubería está totalmente enterrada bajo la capa vegetal existente en la zona.

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Figura 32.16. Funcionamiento de una bomba de calor geotérmica en modo calefacción o refrigeración (proyecto GeoCool, UPV).

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Bioseguridad: este tipo de instalaciones no requiere torres de refrigeración para su funcionamiento. de esta manera se eliminan los problemas asociados a ellas, tales como el riesgo de legionela. Durabilidad: la vida útil de este tipo de instalaciones oscila entre los 25 y los 50 años. Esta vida útil es mucho mayor que la de una instalación convencional de climatización con bomba de calor aire-agua, que tiene como vida media quince años. Reducción de emisiones de CO2: como consecuencia del ahorro energético derivado de los menores consumos eléctricos, las emisiones de CO2 en estas instalaciones se reducen en más de un 50%. Solución integral e integrable: las instalaciones para el aprovechamiento de la energía geotérmica con bomba de calor sirven para producir refrigeración, calefacción y agua caliente sanitaria. Además, son perfectamente compatibles con instalaciones de otras energías renovables.

En proyectos concretos, por ejemplo en una casa vanguardista en Llagostera (Gerona) construida con cubierta de vidrio y encima de una superficie de agua, la antigua balsa que hacía funcionar el molino de Gotarra, se ha elegido la energía geotérmica, en competencia a la tradicional con caldera de gas o con bomba de calor, tanto para calefacción como para el aire acondicionado. Básicamente la instalación funciona, en invierno, con intercambiadores en el subsuelo, que extraen el calor y lo introduce en la vivienda a través de una bomba de calor. En verano el calor de la vivienda se introduce en el subsuelo. El coste de la instalación es un 25% mayor, pero la inversión se amortiza en ocho años, por lo que además de ser más rentable económica y energéticamente, se evita la contaminación acústica y ambiental. El sistema de obtención de energía de origen geotérmico puede llevarse a casos extremos, como grandes instalaciones con una importante demanda de energía. En estos casos pueden realizarse intercambios a mucha profundidad, e incluso estudiando las zonas geotérmicas más favorables.


PROYECTO PSE-ARFRISOL Este proyecto constituye una síntesis de la la arquitectura bioclimática y las EE RR, es realmente un proyecto singular estratégico de I+D sobre arquitectura bioclimática y frío solar (PSE-ARFRISOL) que está incluido en el Plan Nacional de Energía. Su importancia se refleja ya en su coste, está previsto que la investigación alcance los 25 M€, que financia en un 50% el Ministerio de Ciencia. Este proyecto aglutina la recogida de datos de edificios ubicados en lugares tan diversos como en Andalucía, Castilla y León, Madrid y Asturias. En él participan, además de los investigadores del CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas), que coordina la investigación, empresas españolas constructoras y tecnológicas junto a diferentes universidades y fundaciones: Acciona, Dragados, FCC, OHL, Atersa, Gamesa, Isofotón, Unisolar, Universidad de Almería, Universidad de Oviedo y la Fundación Barredo-Asturias. En el proyecto se han construido y/o rehabilitado cinco edificios de oficinas, ubicados en muy distintas climatologías (Almería, Madrid, Asturias y Soria) y persigue reducir drásticamente su consumo energético. La idea es experimentar en el sector terciario (oficinas de 1.000 m2) y poder extrapolar los avances que se consigan en ahorro energético al sector residencial español. El objetivo es conseguir que cada edificio prototipo, denominado “contenedor-demostrador de investigación (CDdI)”, consiga ahorrar de un 80 a un 90% de la energía convencional, por su especial acondicionamiento térmico, adecuación de la arquitectura bioclimática y la aplicación de la energía solar para calefacción y refrigeración. El proyecto tiene la singularidad de analizar mediante simulación el comportamiento teórico de los distintos edificios y contrastarlo con la realidad. Para ello todos los edificios están totalmente monitorizados. El desarrollo contempla nueve subproyectos de trabajo, y en el último se pretende realizar la difusión de la información recogida y conclusiones para conseguir el ahorro, con el objeto de «cambiar la mentalidad» de los ciudadanos sobre el ahorro de energía en los edificios. En el diseño arquitectónico de los cinco edificios, se han considerado diferentes materiales empleados en la construcción, adaptándolos a la

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climatología y a los proyectos de cada uno de ellos realizados por los cinco equipos de arquitectos. Estos incluyen materiales habituales como la piedra, madera, lana de roca, ladrillo, chapa, mármol, hormigón armado, cemento, cerramientos de poliuretano proyectado, pavimentos de gres compacto, el recubrimiento exterior de paneles especiales, etc. Se han tenido en cuenta aspectos bioclimáticos como: • • • • •

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Aprovechamiento de la inercia térmica. Diseño diferenciado de fachadas según orientación. Ganancia directa a través de huecos acristalados. Ganancia indirecta a través de opacos. Ganancia semidirecta mediante galería invernadero, ventilada automáticamente en verano. Fachadas ventiladas. Diferente espesor de aislamiento según orientación. Control solar mediante sombreamiento de fachadas con bandejas parasoles de longitudes diferentes. Ventilación natural cruzada. Cubiertas libremente ventiladas. Intercambiador de calor con el terreno bajo el edificio: serpentín horizontal segmentado en circuitos gestionables automáticamente y agua como fluido caloportador.

Estos aspectos han dado lugar, entre otros, a la construcción de elementos como: • • •

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La optimización en la entrada de radiación solar en los despachos. La integración de las marquesinas de sombreamiento. Doble pérgola para integrar tanto paneles radiantes para enfriamiento radio-convectivo nocturno como captadores solares para calefacción y refrigeración solar. Sombreado de la cubierta principal. Chimeneas solares combinadas con filtros humectantes. Muros gruesos al norte y delgados al sur. Fachadas ventiladas de plaqueta cerámica. Galerías invernaderos o muros de inercia.

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Entre las instalaciones activas encontramos captadores solares térmicos, bombas de absorción y paneles fotovoltaicos, sistemas que como se ha visto anteriormente asisten las necesidades de calefacción y refrigeración a través de energías no contaminantes. En alguno de los edificios se ha recurrido a una caldera de biomasa, de bajo consumo, para hacer frente a los días más fríos del año. Se ha insistido en la puesta en marcha de suelo radiante para la calefacción, de tubos enterrados desarrollados para la entrada de aire atemperado a climatizadores y en la perfecta integración de los paneles fotovoltaicos en la estructura del edificio. Uno de los objetivos del proyecto consiste en optimizar los dispositivos activos utilizados. En definitiva, el proyecto incorpora avanzadas técnicas bioclimáticas, tanto pasivas como activas, pues no se trata del aprovechamiento de energía solar a través de placas para obtener electricidad y agua caliente, sino que el propio edificio sea el captador-convertidor de energía a través de múltiples superficies, como fachadas y tejado.

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OTROS PROYECTOS Existen otros proyectos en España que utilizan sistemas bioclimáticos y las EE RR para conseguir una edificación sostenible. En las próximas líneas se hará referencia a la urbanización Isla Corbán, cerca de Santander. Este proyecto tiene algunas particularidades que lo hacen singular: era una urbanización ya construida y está situada en Cantabria. La urbanización consta de cinco grupos de casas de cinco unidades en cada agrupación. Se ha pretendido que la urbanización sea un modelo de construcción sostenible, manteniendo básicamente las infraestructuras que ya existían. Las acciones más importantes han sido: •

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Para el alumbrado de las calles se ha recurrido a paneles solares y generadores eólicos, que apenas necesitan cableado. Está previsto el autoconsumo eléctrico de las viviendas. Cada grupo de cinco viviendas está dotado de su propio sistema aislado de generación de energía: generador fotovoltaico (9 kW), generador eólico (12 kW), pila de combustible (5 kW), batería de acumuladores (48 kWh) y un hidroliza-

dor (5 kW). La potencia de base instalada, fotovoltaica y eólica, supera en un 10% a la demanda prevista, y el sistema de acumulación tiene prevista una autonomía de dos días. Los paneles solares fotovoltaicos están situados en los tejados, mientras que la pila de combustible y el hidrolizador se alojan en una caseta situada al lado del aerogenerador, en la zona del parque de la urbanización. El sistema trabaja en isla, las baterías suministran la energía en situaciones de punta de consumo y almacenan en momentos de bajo consumo. La calefacción, por suelo radiante, y ACS es individual por vivienda. Consiste en un sistema de captación con paneles solares de tubos de vacío de unos 8 m2 y sistema de acumulación de 750 l. Este sistema en realidad es de apoyo y ahorro, pues solo aporta aproximadamente una tercera parte de las necesidades, y por esto se utiliza la caldera que ya existía. Se ha realizado un nuevo pavimento de las calles, con adoquines (evitando el empleo de derivados del petróleo), que contempla un nuevo sistema de drenaje en el centro de la cazada, con una inclinación del 2% desde el exterior al centro. Existe una recogida de agua cada 50 m, y todas vierten en una balsa de nueva construcción, cuyo rebosadero vierte el agua sobrante en el anterior sistema de red. El agua de la balsa se utiliza para el riego del parque de la urbanización.

También está prevista la construcción de dos piscinas calentadas mediante la captación de energía solar. Como conclusión hay que destacar: •

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Se ha remodelado una urbanización ya existente con una autoproducción de energía limpia, solar y eólica, del orden del 70%. La utilización de la energía solar, térmica y fotovoltaica, con ahorro económico, en una zona, Cantabria, que es de las más desfavorables de España. La utilización de la energía minieólica en una urbanización, con un coste por kWe instalado del orden de la mitad de la fotovoltaica.

La vivienda sostenible. Materiales para una construcción sostenible. Equipamiento doméstico

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EL SECTOR DE LA CONSTRUCCIÓN CONSUME CERCA DEL 40% DE LOS RECURSOS MINERALES DEL PLANETA. •

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El reciclado de los componentes de los residuos consiste básicamente en su recuperación y posterior reintroducción en los procesos industriales y económicos. El reciclado propiamente dicho tiene dos tipos de límites: el ecológico y el económico. El resultado del análisis del ciclo de vida (ACV) da luz sobre los límites ecológicos, pues hay materiales que precisan mucha energía para su reciclado mientras que otros no. El límite económico es más sencillo de establecer. La valorización produce un impacto en el medio ambiente que se ha de minimizar. Por tanto es preciso analizar la naturaleza de los contaminantes que lleva un material, el proceso de su reciclado y el uso al que se va a destinar el material reciclado. El ecobalance o análisis del ciclo de vida de un producto es una herramienta que de una manera científica e imparcial permiten dilucidar el impacto que un determinado material tiene sobre el medio ambiente. Abarca desde la extracción y procesamiento de las materias primas, pasando por la fabricación, el transporte, la distribución, la utilización, la gestión una vez deviene fuera de uso y la disposición final del residuo. La evaluación se lleva a cabo en términos energéticos y en puntuaciones sobre las emisiones sólidas, líquidas y gaseosas que dicha gestión ocasiona. La vivienda R4HOUSE, presentada en Construmat 2007, de 150 m2, con un coste de construcción de 60.000 €, es un ejemplo de vivienda bioclimática, utiliza materiales reciclados, materiales recuperados y residuos. No necesita aire acondicionado, y apenas consume en calefacción, además, goza de una alta eficiencia energética gracias a su perfecta orientación, su tipología arquitectónica, la incorporación de doble piel con cámaras ventiladas, aislamientos ecológicos y celosías de control solar, sistema de distribución de aire fresco por captor de vientos y falsos suelos. Todo ello coronado por el uso de energías renovables. Una de las aplicaciones de los residuos densos es la construcción de artilugios y sistemas para el almacenamiento de calor como los muros Trombe. En los momentos de incidencia de la radiación solar, el muro acumula energía que luego va a ceder con el desfase horario conveniente, según su geometría, además tiene una serie de orificios y pantallas con aberturas móviles que permiten su funcionamiento, tanto en verano como en invierno. Si en una pared se quiere aumentar su aislamiento se puede aplicar una capa de material aislante. Si se sitúa por el lado de la cara fría, cara exterior, además, el sistema se convierte en un

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muro acumulador de calor, que tendrá interés en una vivienda. Si el aislante se sitúa en la cara interior o caliente, será igualmente aislante, pero sin efecto de acumulación de calor, y tendrá aplicación en el caso de calentamientos intermitentes y cortos como en una iglesia o en una sala de conferencias. Existen diversos tipos de acumuladores de calor muy simples para viviendas, que aprovechan la energía solar del día, para desprender la energía durante la noche. Normalmente son elementos de elevada densidad y pueden realizarse de residuos como las escorias de fundición. Hay acumuladores que aprovechan el cambio de fase de materiales especiales, siendo su tamaño mucho menor, e incluso algunos, por su especial rango de temperaturas, pueden utilizarse para la refrigeración durante el día. Otros acumuladores aprovechan la energía eléctrica más barata de la noche, para cederla durante todo el día, aunque en general no es ecológico utilizar la energía eléctrica para calentar. En 1994 entró en vigor en España una directiva comunitaria que exige el etiquetado “energético” de los electrodomésticos. Estos se identifican con un nivel de eficiencia que se indica con una letra y un código de colores, desde la letra A y el color verde para los equipos más eficientes, hasta la letra G y el color rojo para los equipos menos eficientes, existiendo hasta siete niveles. Esto quiere decir que, aproximadamente, un electrodoméstico B consume sobre un 10% más que el A, y el C un 20% más que el A. El frigorífico, con un 18%, la iluminación con otro 18% y la calefacción con un 15%, son los elementos de mayor consumo energético en una vivienda. La mayoría de electrodomésticos son eléctricos, sin embargo algunos pueden funcionar con gas, como la cocina, horno, secadora, o el calentamiento del agua de la lavadora y lavavajillas con agua procedente de una caldera de gas, lo que es favorable desde el punto de vista energético y también en tiempo. El ahorro de energía en la vivienda es un objetivo que se ha tratado en muchos foros. El aislamiento del edificio, rehabilitación de ventanas con acristalamiento doble y los correspondientes marcos, que los termostatos no se sitúen nunca por debajo de los 25 ºC en verano o por encima de los 20 ºC en invierno, utilizar el lavavajillas, y lavadoras bitérmicas y con programas económicos, lámparas de bajo consumo, etc., son algunas de las buenas prácticas que nos acercan a la vivienda sostenible. El Consejo de Ministros, en agosto de 2008 aprobó regalar 21,96 millones de lámparas de bajo consumo a los hogares españoles entre 2009-2010 para mentalizar la importancia del ahorro energético. Una lámpara ahorra 100 € durante su vida útil, ya que consume un 80% menos de energía que una equivalente de incandescencia.

Introducción La visión actual de cuáles deben ser los materiales utilizados en la construcción ha variado radicalmente respecto a la de hace unos pocos años. Lo que era una tendencia, ahora se ha convertido en una exigencia a corto plazo, prácticamente inmediata. Los materiales deben ser reciclables, no deben consumir grandes cantidades de energía para su producción, su instalación y utilización, y no deben perjudicar el medio ambiente.

En este capítulo se analizan los aspectos del reciclaje de los materiales, especialmente de construcción, y se propone un ejemplo de reciclaje integral en una vivienda. También se expondrán la valorización de algunos materiales para la acumulación de calor. No se ha desarrollado el reciclaje de materiales, muchos de ellos provenientes de la construcción, que permiten realizar mobiliario urbano, bancos,


señales de tráfico, pavimento, o de la vivienda, tejas, perfiles, placas de aislantes, moquetas, como los de la Figura 33.1, etc., que participan de esta

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construcción sostenible. Actualmente existen empresas especializadas, algunas exclusivamente, al reciclaje.

Figura 33.1. Productos obtenidos con el reciclaje.

Los límites del reciclaje en materiales de construcción El reciclado de los componentes de los residuos consiste básicamente en su recuperación y posterior reintroducción en los procesos industriales y económicos. El reciclado propiamente dicho tiene dos tipos de límites: el ecológico y el económico. Como cualquier otra actividad, tiene unos límites técnicos que son los que se comentarán en el presente apartado. Al margen de estos, existen unos

límites económicos que habitualmente obedecen a otras razones o intereses. El límite ecológico es difícil de delimitar. Puede suponerse el ejemplo de la recogida de envases de latas de conserva de acero; la recuperación es francamente fácil, ya que tratándose de un material magnético, un sencillo electroimán resuelve el problema. La dificultad comienza en la opera-

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ción de limpieza que debe llevarse a cabo antes de entregar la chatarra a la fundición: el agua de limpieza hay que depurarla antes de su vertido; posteriormente el envase se debe desestañar antes de su procesamiento. La operación de desestañado se realiza electrolíticamente y genera importantes residuos. Sería necesario realizar un análisis de ciclo de vida (ACV) para saber si contamina más el reciclado de la lata o su deposición en un vertedero controlado (el hierro es un metal relativamente degradable, transformándose fácilmente en óxido cuyo efecto es inocuo para el medio) y fabricar un envase completamente nuevo. El resultado del ACV da luz sobre los límites ecológicos. En los últimos años las investigaciones han demostrado la aplicación de este tipo de envases recuperados para la industria de la fundición del cobre. El límite económico es más sencillo de establecer. Estriba en conocer cuál es el precio de mercado y compararlo con los gastos de recogida. Evidentemente, el coste presentará un mínimo, que normalmente oscila sobre el 50% de la recuperación. Esta cifra tiende asindóticamente al coste de la recogida del residuo. A partir de este valor la recuperación se hace cada vez más interesante, como simboliza el gráfico de la Figura 33.2. La valorización, como actividad humana y económica, produce un impacto en el medio ambiente que se ha de minimizar. Otra dificultad radica en el hecho de que la mayor parte de materiales y productos que circulan por los diversos circuitos de proceso y consumo no están diseñados para favorecer su valorización, y, por tanto, el aprovechamiento no es óptimo ni, en muchos casos, posible, produciéndose residuos y un continuo

agotamiento de los recursos. Por otro lado, desde un punto de vista socioeconómico, los modelos de comportamiento y consumo de la sociedad se han de ir modificando para facilitar la valorización de los residuos; sin el desarrollo de mercados no se puede cerrar el círculo.

LÍMITES ENERGÉTICOS PARA EL RECICLAJE DE MATERIALES En primer lugar, es preciso conocer la energía asociada a cada material. Un caso bien conocido lo constituye el aluminio. Este metal se extrae de la bauxita por medio del proceso Bayer, sistema altamente demandante de energía. Es decir, el aluminio que constituye un bote “contiene” (ha consumido) una gran cantidad de energía para su producción. En cambio, para contener un mismo producto, un papel parafinado “contiene” mucha menos energía. Así pues, desde el punto de vista de la preservación del medio ambiente siempre será aconsejable reciclar el aluminio entes que el papel. Para estos análisis es imprescindible el ACV. Este efecto del reciclaje se puede extender a la chatarra, que constituye una importante materia prima para el sector metalúrgico europeo, sobre todo en la industria de los metales no ferrosos. Metales como el aluminio, cobre, zinc y níquel tienen un valor intrínseco, y reciclarlos requiere un consumo mucho menor de energía que extraerlos de la mena. En realidad se han encontrado indicios de reciclaje que datan de la Edad de Bronce. Otro ejemplo sería el reciclaje de plástico procedente de lugares geográficamente dispersos, por ejemplo envases de plástico generados por una comunidad que habita en viviendas esparcidas en el

Figura 33.2. Representación gráfica de los límites de reciclado.

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Figura 33.3. Representación esquemática de la energía asociada a algunos materiales de construcción.

territorio. Será preciso analizar la energía que se va a consumir para recoger y transportar estos plásticos hasta el gestor. Una vez allí hay que gastar energía para limpiarlos, triturarlos y grancearlos. Finalmente habrá que usar más energía para conformar el material reciclado. Muy probablemente, el ACV indicará que es más ecológico convertirlos en energía directamente en lugar de reciclarlos. La Figura 33.3 contempla la energía asociada a diversos materiales de construcción metálicos, para una función equivalente. La letra “R” simboliza el material reciclado. Puede observarse que el material que precisa menos energía para su reci-

clado es el aluminio R, mientras que el que necesita más es el aluminio de primera fusión. La carga energética asociada a los materiales de construcción

El análisis de ciclo de vida, aplicado a los materiales de construcción, permite calcular la energía precisa para fabricar y reciclar los materiales de construcción. Así, la Tabla 33.1 reproduce el contenido energético (energía primaria) de los principales materiales de construcción a partir de los procesos de extracción de materias primas, fabricación, transformación, transportes asociados,

Tabla 33.1. Carga energética de algunos materiales de construcción. Kcal/kg

MATERIAL

Kcal/kg

Acero comercial (20% reciclado)

8.350

Vidrio plano

4.500

Acero comercial (100% reciclado)

4.050

Fibra de vidrio

7.100

MATERIAL

Aluminio primario

51.400

Madera clima templado

Aluminio (30% reciclado)

38.000

Aglomerado madera

3.350

Cerámica estructural

1.100

Pinturas y barnices

24.000

Pavimentos y revestimiento cerámico

2.400

Grava/arena

25

700

Poliestireno extrusionado

23.900

Poliuretano expandido

16.700 19.100

Cemento Portland

1.680

PVC primario

Fibrocemento (de amianto)

1.500

Yeso

800

Tabla 33.2. Carga energética de algunos materiales compuestos cerámicos. COMPUESTO

Kcal/kg

COMPUESTO

Kcal/kg

Mortero M-40/a

250

Hormigón H-200

270

Mortero M-80/a

340

Fábrica ladrillo perforado

680

Hormigón H-150

240

Fábrica ladrillo macizo

685

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puesta en obra y mantenimiento, demolición y eliminación. Es de destacar la disparidad de contenido energético de unos a otros materiales. En el caso de los metales las cifras indican el porcentaje de material reciclado que se añade. En el caso del acero se llega al 100% (corrugado para armaduras de hormigón). La Tabla 33.2 es análoga a la anterior pero hace referencia al contenido energético de los principales materiales compuestos usados en construcción: morteros, hormigones y fábrica de ladrillos. Lógicamente en los materiales compuestos, que constituyen, casi a partes iguales, el 90% en peso de las construcciones convencionales, el contenido energético es más homogéneo y comparable entre sí.

LÍMITES IMPUESTOS POR LA CANTIDAD DE CONTAMINANTES Los compuestos y elementos contaminantes, en mayor o menor cantidad, siempre están presentes en las materias primas y, obviamente, en los residuos. Además, en estos últimos existen otros contaminantes externos procedentes de su empleo. La posibilidad del reciclaje suele ser una función de la naturaleza del contaminante y del material que se desee obtener. Unos ejemplos ayudarán a clarificar los conceptos: •

•

Papel. Las tintas contienen colorantes que a su vez están formadas por metales pesados (sobre todo las tintas más antiguas). Si este papel vuelve a procesarse para convertirse en papel prensa, no existirá, en la práctica, ningún peligro por la presencia del metal. Por el contrario, si el papel se va a emplear como parte integrante del compost, una parte del papel lixiviará con la humedad y con él lo hará también el metal. Vidrio. Los contaminantes, óxidos de metales pesados, permanecerán en la estructura del vidrio sin ninguna posibilidad de salir al exterior por más veces que se recicle. Ni entrañará peligro alguno durante las etapas de recogida, fusión y cuando se haya transformado en un nuevo envase. Si el contaminante fuese orgánico, ajeno por tanto al vidrio, resultante de un resto orgánico del anterior contenido, se deberá lavar antes de triturar y volver a fundirlo. En este caso la

discusión estaría entre si es más ecológico la reutilización (limpieza del envase y depuración de las aguas resultantes) o el reciclado: nueva fusión. A ello también ayuda mucho el ACV. Por tanto es preciso analizar la naturaleza del contaminante, el proceso de reciclado y el uso al que se va a destinar el material reciclado. No puede darse un veredicto a priori.

RECICLAJE INTEGRAL EN LA VIVIENDA. CONSUMO ENERGÉTICO CERO La Asociación Nacional de Arquitectura Sostenible (ANAS), junto con la Asociación Nacional para la Vivienda del Futuro (ANAVIF) y el Directorio Nacional de Empresas para la Arquitectura Sostenible (DINAS) presentaron R4HOUSE en el marco del sector de construcción sostenible en la edición de Construmat de 2007. R4HOUSE tiene como objetivo constituir un ejemplo de cómo pueden utilizarse en la arquitectura materiales reciclados, materiales recuperados y residuos. Todo ello, además, sin que genere ningún residuo en la construcción de las dos viviendas. Así, todos los materiales entregados en obra se utilizan por completo, de un modo u otro y en diferentes emplazamientos.

Figura 33.4. Vivienda ecológica de R4HOUSE.

El proyecto consta de dos viviendas ecológicas y económicas: una diseñada por el arquitecto Luis de Garrido, tiene 150 m2 con un coste de construcción de 60.000 euros (Figura 33.4), y la otra mucho menor, de 30 m2, con un coste de 12.000 euros.


Las dos viviendas tienen un consumo energético cero de energías convencionales, y se autorregulan térmicamente debido a su diseño bioclimático y su óptimo aprovechamiento de energía geotérmica y solar. Del mismo modo, el diseño y la construcción de las dos viviendas se ha realizado con la finalidad de reducir al máximo el consumo energético de las viviendas, tanto en su proceso de construcción como en su etapa de funcionamiento y de construcción. Constituyen un modelo de vivienda bioclimática. Debido a su especial diseño arquitectónico, la casa tiene un perfecto comportamiento bioclimático (las viviendas no necesitan aire acondicionado, y apenas consumen en calefacción); además, gozan de una alta eficiencia energética gracias a su perfecta orientación, su tipología arquitectónica, la incorporación de doble piel con cámaras ventiladas, aislamientos ecológicos y celosías de control solar, junto a vidrios estructurales con serigrafía especial, un sistema de distribución de aire fresco por captor de vientos y falsos suelos. Todo ello coronado por el uso de energías renovables. El conjunto de contenedores conforman un patio central que, además de centro de convivencia, es el espacio encargado de distribuir el aire caliente en invierno (y el aire fresco en verano). La estructura portante de las viviendas se ha realizado a base de seis contenedores de transporte marítimo, lo cual le proporciona la flexibilidad, la reutilizabilidad y el bajísimo coste que difícilmente se pueden conseguir de otro modo. El nombre del prototipo demuestra lo que se pretende conseguir con el mismo. R4HOUSE significa que para el diseño del conjunto de vivienda se han tenido en cuenta las cuatro “erres”, que pueden convertirse en símbolo de la arquitectura sostenible. Recicla Las viviendas están realizadas en parte con materiales reciclados y reciclables. Es decir, con materiales que se han obtenido de materiales ya existentes (cuya estructura física, química o mecánica ha sido modificada mediante un proceso industrial). De este modo, se han elegido las empresas que fabrican algunos de los productos más ecológicos del sector de la construcción. Por su-

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puesto, los materiales elegidos podrán reciclarse de nuevo, tantas veces como se quiera, una vez superado su ciclo de vida útil en las viviendas. Recupera Parte de los materiales utilizados en las viviendas son recuperados, es decir, se han utilizado materiales que en principio han sido desechados por la sociedad: algunos son residuos industriales y otros desechos urbanos. En los prototipos se muestran materiales recuperados mediante un proceso industrial (productos que la industria elabora a partir de residuos) y otros recuperados de forma profesional (objetos elaborados de forma singular por diseñadores a base de residuos). De este modo, la construcción, en lugar de ser una acción negativa para el medio ambiente, pasa a ser positiva, ya que lo regenera. Reutiliza Algunos materiales de los prototipos han tenido un uso anterior, y se han vuelto a reutilizar de nuevo, lo que disminuye al máximo la energía utilizada en su construcción y evita los residuos generados. Hay que destacar que las dos viviendas se han construido de tal forma que todos sus materiales se pueden reutilizar completamente. De este modo, los materiales se pueden renovar y utilizar en otras construcciones, sin generar residuos y con el mínimo consumo energético posible. Razona Sin duda la componente más importante de las cuatro. El sector de la construcción es el de mayor inercia de todos los sectores productores de riqueza existentes en nuestra sociedad, y la sostenibilidad, si algo requiere para poder establecerse como alternativa, es un proceso exhaustivo de razonamiento que la fundamente. La arquitectura sostenible obliga a replantear todo el proceso de diseño, construcción y gestión de un edifico con el fin de disminuir su impacto negativo en el medio ambiente. Por ello, todas las acciones que se deban establecer como alternativa, deben encaminarse con el fin de: •

Disminuir las emisiones y residuos generados.

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Disminuir el consumo energético necesario. Optimizar los materiales y recursos utilizados. Mejorar el bienestar y salud humanos. Disminuir el mantenimiento y el coste de los edificios.

Las principales características de las viviendas son: Climatización Del mismo modo, las viviendas se refrescan por medio de un sistema captor de aire del norte, un sistema subterráneo de refresco del aire, un sistema de distribución del aire fresco por los falsos suelos de la viviendas (los mismos falsos suelos de los contenedores), un sistema de extracción de aire recalentado por efecto chimenea y todo tipo de protecciones solares (lamas de zinc y vidrios serigrafiados). Por supuesto, las viviendas no necesitan ningún tipo de sistema de aire acondicionado. Cubierta ajardinada de tierra Para aumentar la inercia térmica del prototipo y su grado de bioclimatismo, su cubierta ha sido rellenada con 40 cm de tierra. En estas cubiertas puede crecer todo tipo de masa vegetal que se desee. La tierra proporciona una masa adicional al conjunto para aumentar su inercia térmica. De este modo el calor generado de forma solar durante los días de invierno se prolonga durante la noche (que no hay radiación solar). Del mismo modo, el fresco acumulado durante las noches frescas de verano se mantiene durante el día. El tipo de cubierta ajardinada elegida es extremadamente económica y eficaz. No se ha elegido una cubierta-aljibe, ya que este tipo de cubierta es mucho más cara, y menos eficaz, que la suma de una cubierta ajardinada convencional, junto a un sistema de recogida de aguas de lluvia.

tualmente se entiende como integración arquitectónica en realidad es un despilfarro de recursos, puesto que habitualmente los captores solares fotovoltaicos (y a veces térmicos) se utilizan en posiciones y orientaciones inadecuadas. Al colocar los captores solares de forma vertical, horizontal, sin orientar al sur, etc., lo único que se logra es una pérdida de eficacia tan grande que simplemente demuestra la inutilidad de los captores, el elevado precio y el impacto medioambiental. Por ejemplo, unos captores fotovoltaicos (que ya tienen un rendimiento energético bajísimo, del orden del 15%), si se colocan de forma vertical su rendimiento puede bajar a la mitad (7%), lo que los convierte en un adorno carísimo e inútil (de hecho solo sirven para marketing de la empresa fabricante), ya que es mayor el impacto medioambiental y energético de construir los captores de lo que supuestamente debería mejorar mediante su utilización. La integración arquitectónica no estriba en incluir captores solares en elementos arquitectónicos ya existentes, sino al revés, hacer una arquitectura que, por su propia sintaxis arquitectónica, integre estos captores en su posición correcta, y lo haga de una forma bella, equilibrada y homogénea. O lo que es lo mismo, la integración arquitectónica obliga a crear y utilizar nuevas reglas en la composición arquitectónica. En R4HOUSE los captores térmicos están inclinados 50º, y los captores fotovoltaicos 30º. Lo adecuado para la latitud de Barcelona. •

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Integración de energías alternativas Se han integrado perfectamente en la arquitectura de la casa dispositivos de energías alternativas, como captores solares térmicos y fotovoltaicos. Este punto es muy importante ya que lo que habi-

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Control domótico. Las funciones de la vivienda están controladas por un sistema de control de tecnología EiBUS de última generación, lo que permite mostrar las ventajas de un hogar conectado, y sin las restricciones del resto de sistemas domóticos Pavimentos a base de residuos. Parte del pavimento del interior se ha realizado a base de mosaicos realizados con residuos procedentes de la fabricación de Silestone, y parte del pavimento exterior a base de terrazo continuo a partir de elementos recuperados de vidrio. Estructura flexible. Para responder a las necesidades de cambio de una determinada familia, la estructura arquitectónica propuesta es extremadamente flexible: los espacios


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son fácilmente renovables, la cocina y el baño son reciclables, las instalaciones eléctricas, de agua y desagües flexibles, los suelos registrables, los sanitarios móviles y con una nueva funcionalidad. La propia estructura arquitectónica, a base de contenedores de puerto, hace que pueda reconfigurarse de forma muy fácil incluso el aspecto y la estructura arquitectónica del conjunto. Iluminación alternativa. La iluminación de la casa se realiza con un sistema inteligente que integra luminarias de bajo consumo y leds. Del mismo modo se utilizan paredes de vidrio transparente iluminadas en su interior con leds y fibra óptica, y nuevos materiales retroiluminados, a mitad de camino entre la cerámica y el vidrio. Estructura arquitectónica flexible, Es ampliable, readaptable y reubicable, sin generar ni un solo residuo. Estructura arquitectónica y portante realizada a base de contenedores portuarios desechados. La utilización de contenedores portuarios permite conseguir espacios arquitectónicos flexibles, reubicables, ampliables y de bajo precio. De este modo, si se necesita un espacio adicional simplemente se debe adosar o apoyar un nuevo contenedor. Así las viviendas pueden crecer de acuerdo a las necesidades reales de espacio de una familia. Los componentes mas jóvenes del núcleo familiar pueden mantener su independencia, y al mismo tiempo su integración, con el núcleo familiar. Debido a la utilización de contenedores de puerto, paneles de cubrición atornillados, suelos y techos desmontables, paneles de vidrio móviles, se puede adaptar la estructura arquitectónica a cualquier cambio sin necesidad de hacer ningún tipo de obras. Los contenedores pueden desplazarse y reconfigurar nuevos espacios con tan solo moverlos. Por supuesto existe todo tipo de posibilidades de ampliación de espacios, tan solo añadiendo nuevos contenedores. Utilización de materiales ecológicos. Chapa de zinc, piedra, contrachapado de bambú, paneles de bambú, contrachapado de abeto,

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contrachapado abedul, paneles de polietileno, paneles de yeso-celulosa, pinturas ecológicas, Silestone, paneles de vidrio, mosaico, pizarra, terrazos continuos, etc.. Nuevos vidrios reciclados Estos son decorativos con características de alto valor añadido (antiscratch, antideslizante,). También hay que destacar la utilización de nuevos materiales a medio camino entre el vidrio y la cerámica: un material excepcional por sus características para formar muros separadores retroiluminados y una gran variedad de nuevas aplicaciones. Se han empleado paneles de vidrio, Silestone, contrachapado de abedul y de bambú. Nuevos paneles sándwich de vidrio, aislantes y transparentes. Se han utilizado un conjunto de veinte paneles prefabricados de vidrio doble con una cámara de 30 mm. En esta cámara se han introducido diferentes tipos de material aislante a base de residuos. En concreto: restos de vidrio triturado de colores, lana de oveja tintada, cáñamo coloreado, polietileno e incluso canicas usadas. El resultado es un panel que sorprende tanto por su capacidad de aislamiento, como por sus enormes e interesantes posibilidades estéticas. Los vidrios se han utilizado tanto en el exterior como en el interior de la vivienda. Calefacción solar. La vivienda dispone de un sistema altamente efectivo, ecológico y saludable de calefacción solar por suelo radiante. El sistema está alimentado por un conjunto de captores solares térmicos de última generación Aislamientos térmicos ecológicos. Como el styrodur-C, la lana de oveja, el cáñamo y el lino. Estos son verdaderos aislamientos ecológicos: altamente eficaces, no tienen ningún tipo de sustancia dañina ni para la salud de las personas ni para el medio ambiente, transpirables, biodegradables, y no utilizan recursos no renovables.

En una línea semejante, en el salón de Construmat 2009 se ha expuesto la Casa Barcelona (Figura 33.5). Se trata de dar una solución imaginativa al problema de la vivienda mediante un modelo de

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apartamentos prefabricados y sostenibles que se situarían en las dos últimas plantas de un edificio de viviendas ya construido mediante cuatro módulos prefabricados de 70 m2 que pueden ser construidos y desmontados rápidamente. El que sea desmontable, además de su repercusión en la sostenibilidad, tiene una gran importancia en el aspecto financiero y en la movilidad de las personas en el mundo actual: rompe el lazo entre la propiedad del suelo y su edificabilidad. Así se puede construir en un solar por el que se paga un alquiler y tras unos años desmontar el apartamento y trasladarlo a otro lugar sin tener que pagar una hipoteca del terreno de por vida. La construcción incorpora todo tipo de medidas para permitir el máximo ahorro en el consumo de agua, electricidad y calefacción, como por ejemplo: •

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Un sistema de reciclaje de aguas residuales que son depuradas y posteriormente empleadas para la lavadora, las cisternas de los sanitarios o el riego de las plantas. La azotea está constituida por un jardín, así la vegetación mantiene siempre húmedo y conserva el agua de lluvia, actuando de refrigerante para el resto del edificio, tal como se ha comentado anteriormente. Placas solares integradas perfectamente en el diseño del edificio y situadas en barandi-

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llas y balcones, que permiten la generación de electricidad. El calor geotérmico del subsuelo es aprovechado para calentar el agua de la red de calefacción.

Felip Pich, coordinador del proyecto, ha destacado que ya se está construyendo un edificio de viviendas de nueve plantas en Vitoria siguiendo este sistema constructivo, y ha presentado su proyecto como una opción más de cara a la reconversión de un sector, el de la construcción, que “debe inventar nuevas maneras de hacer porque queda claro que lo que hemos venido haciendo hasta ahora no puede seguir manteniéndose”. En los dos proyectos, RH4 y Casa Barcelona, se ha recurrido a una azotea ajardinada, se trata de una vegetalización del tejado. Es una solución empleada desde hace mucho tiempo en países de Escandinavia, Alemania, Suiza, etc., aunque recientemente se está extendiendo a escala mundial. La vegetalización se enmarca de lleno en el proceso del desarrollo sostenible ya que permite aumentar el aislamiento térmico y acústico, mejorar la calidad del aire y del agua, fijar el CO2 y limitar los flujos de agua y las inundaciones. Existen tres tipos de vegetalización: la extensiva, la semiintensiva y la intensiva. La primera es una técnica que usa un complejo de cultivo elabo-

Figura 33.5. Casa Barcelona, en Construmat-2009: módulo de dos pisos y 300 metros cuadrados que alberga cuatro viviendas desmontables y sostenibles.


rado y de poco espesor, de 5 a 15 cm, que permite una cubierta vegetal permanente compuesta de plantas que no tienen por qué ser necesariamente hortícolas. En este caso el mantenimiento se reduce al mínimo, y el riego no es necesario. En la vegetación semiintensiva se utiliza un complejo de cultivo elaborado y de espesor medio. Se emplea para realizar un espacio decorativo en el tejado, con un mantenimiento moderado y el riego resulta indispensable. En el caso de vegetación intensiva conduce a la elaboración de un tejado terraza como un verdadero jardín que permite el crecimiento de un ecosistema más complejo, el espesor va de los 20 hasta los 60 cm, es más pesado y costoso. En cualquier caso, un sistema de cubierta verde incluye, desde la parte alta a baja: las plantas, substrato de crecimiento, filtro de tela, capa de drenaje, membrana impermeabilizante y la estructura de cubierta. Los tejados vegetalizados tienen su principal interés en el ahorro energético por su elevado aislamiento térmico y su inercia térmica, debidos básicamente a su espesor. Pero además tienen otras ventajas: permiten la absorción de grandes volúmenes de agua, incluso si se trata de sistemas de poco espesor. De esta forma, un sistema de vegetalización extensiva, cuyo espesor sea de 6 a 10 cm, puede retener hasta el 50% de las precipitaciones anuales en ciertas regiones. Esto lleva a un efecto retardador del flujo de la lluvia. Según el material de drenaje que se utilice, se observa este efecto en los caudales punta, que ocurren en caso de tormenta, lo cual reduce de forma considerable los riesgos de obstrucción temporal de las redes de alcantarillado, sobre todo en zonas mediterráneas. Por regla general, los tejados vegetalizados también garantizan la filtración de las aguas de lluvia con relación a las partículas finas y a los compuestos químicos presentes en el sistema, por lo que existe la posibilidad de utilizar nuevamente esta agua para usos domésticos, como cisternas, riego, etc. Otra ventaja es el incremento de la vida útil de la impermeabilización, que en cubiertas normales suele ser de unos quince años. Esta puede llegar a duplicarse en el caso de un tejado vegetalizado, pues limita el choque térmico, y también las radiaciones ultravioletas, impidiendo el deterioro de la impermeabilización. Aparte de que la vegetali-

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zación absorbe el ruido, por tanto aísla el interior del edificio del mismo, y además limita considerablemente su reflexión, contrariamente a un tejado desnudo. El ciclo de vida y la energía en los materiales de construcción

La sensibilización creciente respecto a los problemas medioambientales concernientes a la construcción ha puesto de manifiesto que este sector genera una serie de impactos, que se pueden resumir en: •

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El sector de la construcción consume cerca del 40% de los recursos minerales del planeta (debe entenderse la construcción como la edificación, las obras públicas, las carreteras, etc.). Sin contar la energía precisa para la fabricación de los propios materiales de construcción, la vivienda acapara casi una tercera parte del consumo total de energía para su funcionamiento (principalmente en calefacción y acondicionamiento). El mal aislamiento provoca que casi la mitad de las emisiones de CO2, NOx y SOx procedan de este mal funcionamiento. Estos gases son de efecto invernadero y contribuyen a la lluvia ácida. Entre el 5 y el 8% de los residuos totales generados proceden de este sector.

En consecuencia no es de extrañar que buena parte de los incentivos y subvenciones que conceden los gobiernos vayan encaminados a aplicar medidas que contribuyan a reducir los impactos ambientales. En principio la comparación de los materiales cerámicos con otros sustitutivos arroja buena puntuación ya que el balance es claramente favorable en apartados tan significativos como: •

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Buena capacidad de aislamiento térmico, siempre, claro está, que se usen materiales con probada eficacia aislante (no todos los productos cerámicos son buenos aislantes térmicos). Seguridad en la construcción. Por lo que hace referencia a la prevención de incendios.

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Duración en el tiempo. Los materiales cerámicos son resistentes a la abrasión y corrosión procedentes de los agentes atmosféricos. Características mecánicas aceptables para el destino (muchas legislaciones imponen restricciones al empleo de materiales cerámicos como elementos resistentes; sin embargo, la mayoría de los productos cerámicos cumplen, con creces, los mínimos exigidos). Bajo mantenimiento de los edificios fabricados con materiales cerámicos. Reciclabilidad. Esta propiedad es la que permite fabricar cerámica, u otro material, como árido para hormigón, a partir de residuo de cerámica.

Noción del análisis del ciclo de vida

Hasta fechas muy recientes la elección de un material de construcción venía determinado por imperativos de índole económica. Hoy en día se tiene la tendencia a realizar un estudio más amplio y analizar el impacto que el uso de un determinado material tendrá sobre el entorno desde su fabricación, instalación, uso y de construcción. La preocupación ambiental sobre las propiedades que deben tener los materiales de construcción ha llevado a los técnicos a desarrollar los denominados “ecobalances” o “análisis del ciclo de vida”. Estas son herramientas que de manera científica e

imparcial permiten dilucidar el impacto que un determinado material tiene sobre el medio ambiente. En síntesis, el análisis del ciclo de vida consiste en realizar un inventario de las materias primas y de los procesos de fabricación que intervienen en el ciclo productivo de los materiales. Si además se estudia el impacto que el material tiene una vez ha concluido su vida útil y deviene residuo, lo que recibe el nombre “de la cuna a la tumba”, es posible valorar todos los parámetros ambientales. El ecobalance tiene en cuenta desde el impacto producido en la cantera hasta el destino del material cuando la obra sea derribada, pasando por el transporte y todas las etapas de fabricación. Este libro destina un capítulo a estudiar con detalle estos aspectos. La SETAC (Society of Environmental Toxicology and Chemistry) define el ACV como “un proceso objetivo para evaluar las cargas ambientales asociadas a un producto, proceso o actividad, identificando y cuantificando el uso de materia y energía y los vertidos al entorno, para determinar el impacto que ese uso de recursos y esos vertidos producen en el medio ambiente, y para evaluar y llevar a la práctica estrategias de mejora ambiental. El estudio incluye el ciclo completo del producto, proceso o actividad, teniendo en cuenta las etapas de extracción y procesado de materias primas, producción, transporte y distribución, uso, reutilización y mantenimiento, y reciclado y disposición del residuo”.

Figura 33.6. Todas las etapas del ciclo de vida de las energías no renovables son contaminantes.


El ciclo de vida de un producto abarca desde la extracción y procesamiento de las materias primas, pasando por la fabricación, el transporte, la distribución, la utilización, la gestión una vez deviene fuera de uso y la disposición final del residuo. Por ejemplo, el impacto que causa el uso de las energías no renovables no se produce únicamente durante su consumo; todas las etapas de su ciclo de vida (desde que se extrae el recurso hasta que se utiliza la energía generada) son contaminantes, tal y como se muestra en la Figura 33.6. Entre los principales daños producidos sobre el medio ambiente destacan las emisiones atmosféricas, la contaminación de aguas y

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la generación de residuos sólidos, además de otro tipo de impactos: degradación del suelo, ruido, impactos paisajísticos, etc. Como es lógico, y como toda técnica, el ACV ha tenido sus defensores y detractores. Entre estos últimos, y con razón, estaban aquellos que criticaban que el ACV no valorase la naturaleza del origen de la materia prima. Desde la óptica ambiental debería valorarse de algún modo el hecho de que un mismo producto pueda fabricarse a partir de una materia prima renovable, por ejemplo, la madera, o de una materia prima no renovable, por ejemplo, el plástico. Otra crítica era la poca sensibilidad para valorar el diferente impacto que pudiera ocasionar

Figura 33.7. Representación esquemática del análisis de ciclo de vida.

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una misma cantidad de contaminante. Sin duda, la mayor parte de estas carencias se han debido a la juventud del método y, poco a poco, se van subsanando. Por otra parte, las ventajas del método son claras y la prueba de ello es que cada día está más extendido e incluso las leyes solicitan su aplicación para dilucidar la bondad ambiental del uso de un determinado producto. Una de las principales ventajas del ACV es su aceptación por los diversos grupos o sectores sociales implicados: industriales, legislativos y ecologistas. A estos últimos el ACV les permite: •

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La identificación de ciertas lagunas de conocimiento que permiten marcar las prioridades de las investigaciones. La ayuda a la planificación a largo término en las acciones de gobierno para el ahorro de materias primas y energía, reducción de

los impactos ambientales y riesgos provocados por sustancias y productos. En algunos casos, y para analizar determinadas situaciones, el ecobalance puede dejar fuera de su consideración la valoración de las materias primas, así como el sistema de fabricación, estableciendo la denominada “regla de corte”, tal y como se muestra en la Figura 33.7. El análisis de ciclo de vida se circunscribe a la evaluación de la energía y de las materias auxiliares precisas para la obtención y transporte de las materias primas al centro de producción, la fabricación y luego empalma con la evaluación y gestión de estos productos una vez fuera de uso, es decir, una vez devienen residuos. La evaluación se lleva a cabo en términos energéticos y en puntuaciones sobre las emisiones sólidas, líquidas y gaseosas que dicha gestión ocasiona.

Valorización de los residuos destinados a la fabricación de acumuladores de calor Una de las aplicaciones más útiles de los residuos densos, como muchos de los que se han citado a lo largo de este capítulo, es la construcción de artilugios y sistemas para el almacenamiento de calor. La acumulación de calor, en particular en las paredes destinadas a viviendas, es un concepto que había caído en el olvido y que la arquitectura sostenible ha resucitado en los últimos años. Nuestros ancestros, sin duda por el desconocimiento de las técnicas constructivas y sobre todo por la carencia de materiales de construcción, fabricaban las viviendas a base de grandes bloques de piedra y rellenaban las juntas con arcilla y/o tierra. Al visitar una cueva, una construcción similar o una catedral, se advierte un confort térmico que muchas veces se echa en falta en las viviendas modernas. La causa de ello estriba en que el calor se “conserva” o mejor dicho: cuando se calienta un objeto denso, que además suele ser conductor de calor, aquel acumula calor. Por ende el grueso espesor de la masa potencia la característica de aislamiento, por lo que el muro, además de almacenar calor, se convierte en aislante (evidentemente más por su grosor que por la naturaleza intrínseca del material).

La acumulación de calor ∆Q(*)1 se define por la expresión: ∆Q = 6 (Mi· Cei· Tmi) • • •

Mi es la masa de cada capa que compone la pared (kg). Cei es el calor específico de cada capa i que compone la pared (kcal/kg·°C). Tmi es la temperatura media (°C) de cada elemento i de la pared en régimen estacionario de transmisión del calor.

Como acontece con casi todas las propiedades físicas, y la ∆Q es una de ellas, tiene su faceta positiva y negativa. Así, en el calentamiento de espacios por periodos de tiempo muy cortos (lugares que se emplean de forma discontinua como una sala de conciertos) una ∆Q grande es un problema, mientras que para aumentar el confort de una vivienda es una ventaja, de ahí la importancia de su análisis. La Figura 33.8 muestra un esquema del denominado muro Trombe, que se emplea como acumulador de calor doméstico. Existen infinidad de tipos de pantallas, es decir, gran cantidad de ele(*)En lenguaje estricto: acumulación térmica.


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Figura 33.8. Muro acumulador de calor.

mentos externos, para ajustarse mejor a la climatología del lugar. Como sea que la acumulación de calor es una de las partidas más importantes de un balance energético, en los procesos térmicos intermitentes, y por lo tanto del consumo energético, será preciso intentar minimizar su incidencia. Para ello se puede actuar sobre: •

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La masa, o bien la calidad del material que integra la pared, en particular de la primera capa (cara caliente). Si se reduce la masa, la ∆Q desciende pero además un material más ligero suele ser mejor aislante y reducirá el valor de la temperatura intermedia. El tiempo. Cuanto más lenta sea la etapa de calentamiento más tardará la pared de alcanzar la ∆Q máxima.

El efecto directo del muro Trombe coincide con los momentos de incidencia de la radiación solar, es decir, la circulación del aire estancia-cámaraestancia cesa en el momento en el que la radiación

deja de calentar el aire en el interior de la cámara. Es en este momento cuando cobra importancia la inercia térmica del muro. Mientras recibe la radiación solar, el muro va acumulando energía que luego, al cabo de un cierto tiempo, acaba atravesando este y aflorará en la cara interior, calentando la habitación por convección y radiación. Para dimensionar de una forma aproximada este sistema, hay que tener en cuenta los cuatro elementos que intervienen en él, esto es, el muro (espesor y material), la superficie de vidrio, el número y dimensiones de los orificios y el espesor de la cámara de aire. La arquitectura bioclimática se basa en un estudio riguroso de las condiciones climáticas del entorno, por lo que no se pueden hacer cálculos generales. A modo de ejemplo, para una vivienda en Madrid se podría decir que un muro de hormigón pintado de negro y orientado al sur, necesitaría unos 25 cm de espesor para ajustar el desfase térmico a la media de las horas de asoleo en invierno. La superficie de vidrio sería del orden de 0,50 m2 por cada 10 m2 de superficie a calefac-

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tar. Los orificios en el muro deberían ser de unos 100 cm2 por cada m2 de muro, y el espesor de la cámara de aire debería ser de unos 10 cm. El gran problema de este sistema es que precisa de un muro ciego en la fachada sur del edificio, por lo que se hipoteca tanto la entrada de luz como las posibles vistas que pudiera tener esa estancia. Por este motivo se han desarrollado variaciones que permitan dar una respuesta a la captación de energía sin renunciar a la estética. Existe un último elemento en el sistema de los muros Trombe cuya presencia es esencial para el correcto funcionamiento del sistema en los periodos sobrecalentados (verano) y durante la noche: una protección solar exterior. Lo ideal sería diseñar una visera fija, a modo de voladizo, sobre el vidrio, de tal forma que dejara pasar la radiación en invierno pero que arrojara sombra sobre dicho vidrio en verano. Además de eso, es imprescindible colocar una protección solar móvil (cortinas, con-

traventanas...) para que en verano no se calentase la cámara de aire y se pudiese refrigerar el interior a través de una ventilación cruzada. La Figura 33.9 permite visualizar la distribución de la temperatura en las paredes de un horno (o bien, hágase la transposición a las paredes compuestas exteriores de una vivienda), donde en a) se representa el momento de puesta en marcha del proceso con las paredes frías (obviamente la distribución de temperaturas en el interior de las capas es la inicial y el ∆Q todavía no ha afectado a las paredes). Al cabo de unos minutos, y en función de la capacidad conductora o aislante de las paredes, la distribución de temperaturas habrá cambiado poco (Figura 33.9) b). Más tarde, detalle c), las temperaturas medias alcanzadas por cada pared son importantes y la cantidad de calor ∆Q almacenada también.

Figura 33.9. Distribución de las temperaturas internas en una pared compuesta en función del tiempo.


En la situación de régimen estacionario de transmisión del calor, tiempo infinito, la cantidad de ∆Q es máxima ya que se han alcanzado los máximos valores de las temperaturas.

ACUMULACIÓN DE CALOR Y AISLAMIENTO TÉRMICO El interés de la acumulación de calor con el reciclaje de residuos inorgánicos para la fabricación de materiales densos estriba en la relación existente entre la masa (M), o bien la densidad, y su capacidad de acumular calor (ΔQ), de acuerdo con la expresión: ∆Q = M · Ce · Te Así, desde el punto de vista térmico se puede afirmar que el aislamiento térmico y la acumula-

Figura 33.10. Acumulación de calor en un muro según se coloque un aislante en la cara interna o externa del muro.

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ción de calor son propiedades antagónicas. Un material que sea denso, conduce el calor y su masa le permite acumularlo. La Figura 33.10 reproduce un ejemplo de transformación de una pared (A) en un muro acumulador de calor (C) por el simple hecho de haber aislado la pared original por la cara externa (cara fría). Este proceso se realiza cuando se desea que la pared, además de acumular calor, esté bien aislada. En caso de proceder al aislamiento por la cara caliente (B) el valor de las pérdidas de calor son iguales que en el caso (C), pero la acumulación de calor se verá disminuida. Por ello, en el caso de que el local se deba destinar a calentamientos intermitentes y cortos (una iglesia, una sala de conferencias), la combinación ha de ser del tipo (B) para conseguir una sensación de confort con una potencia térmica instalada reducida.

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Lógicamente si la propiedad deseada es el incremento de la acumulación de calor, esta se puede lograr simplemente con el empleo de paredes de gran densidad. Pero en este caso las pérdidas de calor también serán elevadas.

CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE CALOR DE LOS MATERIALES Cada vez se dedica un mayor interés en la arquitectura bioclimática, arquitectura sostenible o simplemente arquitectura solar en la búsqueda de soluciones técnicas que permitan la captura, almacenamiento y distribución de la energía solar que incide en un edificio. En el caso de la técnica de la acumulación, ello se consigue por medio de criterios pasivos (arquitectura solar pasiva) que transforman la energía solar, sin concentrarla, reteniéndola en los muros y cubiertas con mucha inercia térmica. Estas estructuras no son más que materiales de gran capacidad de almacenamiento de calor recubiertos de un material que proporcione una superficie mate y oscura con el propósito de minimizar la reflexión de los rayos solares. Un sistema de ventana translúcida puede ser una pared compuesta por dos vidrios. La expresión

“doble ventana” suele aplicarse a aquella ventana que tiene dos vidrios, separados entre sí una distancia que oscila de 3 a 15 mm y que se ha practicado el vacío entre ellos. Su finalidad es el aislamiento térmico. La corta distancia entre los vidrios impide la creación de una corriente de convección en el caso de no existir vacío. Por tanto el calor se transmite exclusivamente por radiación. Durante las horas de insolación la temperatura superficial del vidrio es muy alta y la tasa de transferencia de calor también, puesto que esta depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta. Para dar una idea de magnitud, y prescindiendo de los factores de emisividad, si se supone que una temperatura en la cara interna del primer vidrio de 40 oC y 18 oC en el muro, la entrada de calor es proporcional a 24,31 (evaluado a partir de la diferencia de temperaturas absolutas dividas por 100 y elevadas a la cuarta potencia). Admitiendo que durante la noche el muro permanece a 18 oC mientras que el vidrio exterior alcanza los 6 oC, la pérdida de calor es proporcional a 11,14. Así pues, se crea un factor de 2,2. En otras palabras, el flujo de calor durante las horas de insolación es más del doble del que se pierde durante la noche, por tanto el balance es positivo. El factor aumentará cuan-

Figura 33.11. Acumulación de calor de diversos materiales de construcción.


do las diferencias entre las temperaturas diurnas y nocturnas sean mayores. El histograma de la Figura 33.11 muestra los valores de acumulación de calor de diversos materiales de construcción, entre los que se incluyen residuos. Los valores teóricos expresados en kcal/ m3·°C resultan de multiplicar la densidad teórica del material por su calor específico medio. La figura es fácil de interpretar e indica, por ejemplo, que un muro de hormigón va a acumular, a igualdad de volumen, el doble de calor que otro de piedras.

APLICACIONES DE LA ACUMULACIÓN DE CALOR En la industria, los acumuladores de calor llevan siglos funcionando en contraste con las viviendas, puesto que solo hasta hace muy poco se ha sensibilizado a los profesionales de la construcción, que debían diseñar los edificios de manera que la iluminación y la calefacción fuesen proveídas, en su mayor parte, por el sol. Aplicaciones industriales de la acumulación de calor

En muchos procesos térmicos industriales los gases abandonan el horno a elevadas temperaturas, lo que representa un aumento de pérdidas energéticas y ello constituye un elevado consumo energé-

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tico, por lo tanto se trata de buscar soluciones para recuperar el calor sensible de los gases. Cuando se trata de acumular calor muchos residuos densos pueden aglomerarse con cementos aluminosos, que son refractarios, para aplicaciones a alta temperatura o simplemente con cementos Portland si las aplicaciones son para baja temperatura. Otra aplicación paralela consiste en la fabricación de materiales refractarios conformados, ladrillos refractarios, para la acumulación de calor a alta temperatura. La Figura 33.12 representa el principio de funcionamiento de un horno Martin-Siemens. Como sea que el proceso precisa de una temperatura próxima a los 1.600 °C es evidente que los gases abandonan el horno a dicha temperatura con la inevitable pérdida de calor. Para paliar dicha pérdida, los gases de combustión atraviesan un laberinto construido con material refractario al que ceden su calor sensible. Al mismo tiempo, por otra cámara simétrica que ha sido calentada anteriormente, se hace circular, en sentido contrario, el comburente y, a veces, el propio combustible, con lo que se reduce el consumo energético del horno. Los grandes hornos de fusión de vidrio funcionan de una manera análoga. En general todos los hornos intermitentes que deben evacuar gases a la temperatura de proceso, obedecen al mismo principio de funcionamiento.

Figura 33.12. Principio de funcionamiento de un horno Martin-Siemens.

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Una última aplicación consiste en la fabricación de elementos filtrantes a alta temperatura para gases muy cargados de partículas en suspensión. Esta aplicación es muy común en los hornos de fusión de vidrio. En estos los gases abandonan el horno a una temperatura próxima a los 1.300 oC, por lo que es preciso instalar un recuperador de calor para aprovechar el calor sensible de los mismos. Los recuperadores son, en la práctica, acumuladores de calor y por tanto han de tener gran inercia térmica. Una vez los gases se han enfriado razonablemente (alrededor de los 700 ºC) se instala un filtro de fibra cerámica que retiene la mayor parte del material particulado. Aplicaciones domésticas de la acumulación de calor

En el ámbito doméstico la acumulación de calor por sistemas pasivos se va imponiendo. El ejemplo de la Figura 33.13 muestra un acumulador de calor instalado en una vivienda y construido con piedras y gravas. El conjunto se halla ubicado en los sótanos de la vivienda. El principio de funcionamiento de estos acumuladores es simple. Durante el día el sol calienta aire y un ventilador lo impulsa a través del lecho de piedras. Durante la noche se invierte el sentido: el ventilador recircula el aire de la vivienda a través del lecho de piedras. El aire se calienta gracias al calor acumulado en el lecho. Otro procedimiento, que obedece al mismo principio de funcionamiento, pero con un rendimiento superior, consiste en la exposición al sol de un panel, con una superficie negra para que absorba cerca del 95% de la radiación incidente y la convierta en calor acumulado. El panel se halla

construido de hormigón de escorias para que posea una gran capacidad de acumulación de calor. Por su interior circula agua que puede llegar a los 90 °C (Figura 33.14). Instalaciones de este tipo, con un dispositivo calefactor de 2 a 5 m2 en el tejado, son frecuentes en EE UU, Israel, Japón, etc. Para construir el acumulador de calor de lechos de piedras se pueden usar residuos a granel de elevada densidad, habituales para construir los sistemas de almacenamiento de calor. En el segundo caso, los muros panel, se deben usar hormigones con un peso específico alto. Ello se consigue, por ejemplo, substituyendo el árido convencional por escorias metalúrgicas. Otra aplicación doméstica en alza son los sistemas para la acumulación de calor nocturno y aprovechamiento de la energía acumulada durante el día. Este sistema es muy común en los lugares donde el precio de la electricidad nocturna es muy barato, por ejemplo, en los países con gran cantidad de electricidad de origen nuclear. No obstante la tendencia es bastante universal por cuanto las centrales suelen generar durante las 24 horas del día, mientras el consumo se concentra en pocas horas del día. El principio de funcionamiento, indicado en la Figura 33.15, consiste en una masa de cerámica atravesada por una resistencia eléctrica. Durante las horas nocturnas la masa se calienta por efecto Joule. Durante el día un pequeño ventilador impulsa el aire de la vivienda a través de la masa y esta le transfiere el calor acumulado. Su relación con la valorización de subproductos estriba en el hecho de que es posible usar ciertos vitrificados fabricados con residuos e incorporarlos posteriormente a la masa cerámica para con-

Figura 33.13. Acumulador de calor doméstico contruido con piedras y gravas.


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Figura. 33.14. Acumulador de calor domestico (térmico).

Figura 33.15. Acumulador de calor doméstico eléctrico.

seguir una mayor densificación y, con ello, una mayor acumulación de calor. La tarifa nocturna

En España, más de un millón de hogares tienen instalados hoy acumuladores de energía para producir calor durante la noche, horario en el que la tarifa eléctrica era más barata. No obstante, a partir de julio de 2008, esa rebaja desaparecerá. Se da la circunstancia de que el propio Ministerio de Industria viene recomendando desde 1995 la instalación en los hogares españoles de acumuladores eléctricos con tarifa nocturna para reducir las puntas de la curva de carga eléctrica. Incluso llegó a incentivar hasta 1998 a aquellos usuarios que instalasen en sus viviendas estos dispositivos. El precio de instalación de acumuladores de energía en una vivienda de unos 90 metros cuadrados ronda los 3.000 euros (harían falta instalar cuatro o cinco dispositivos). El funcionamiento de

este mecanismo es el siguiente: el usuario contrata la potencia correspondiente a las horas diurnas, y de 23:00 a 7:00 horas. En este periodo de tiempo hay disponible un importante excedente de potencia de generación de electricidad, por lo que se ponen en funcionamiento estos sistemas de acumulación. Los usuarios pueden disponer de la máxima potencia admisible de la instalación eléctrica de su vivienda con una bonificación económica por el consumo en horas valle. Esto supone un ahorro de aproximadamente el 55% en la factura de la luz. Como se ha comentado, a partir del pasado 1 de enero de 2008, Industria modificó las condiciones actuales de contratación eléctrica, introduciendo además en la legislación varias novedades que perjudican a estos usuarios que, tienen contratada la tarifa nocturna. Así se han modificado las siguientes condiciones: •

Todos los usuarios de tarifa nocturna se han visto en la obligación de contratar la máxima

566

•

•


potencia demandada, mientras que, hasta el 31 de diciembre, esos hogares podían utilizar durante las horas nocturnas de vigencia de la tarifa nocturna, la máxima potencia que admitiese la instalación, independientemente de la que tuviese contratada. Se ha incrementado en un 35% el precio del kilovatio hora en hora punta (de 8 a 14 horas). Además, se obliga a los usuarios a facturar su tarifa en un único pago.

Los usuarios que actualmente tienen instalado en su hogar un acumulador de energía eléctrica verán cómo su aparato queda “inservible” con esta nueva legislación que entrará en vigor en julio de 2008. Desde la asociación de fabricantes de calefacciones de acumulación nocturna, Ficae, se critica con dureza esta medida de Industria. Advierten que unos 1.500 trabajadores que dependen directamente de esta industria, y unos 6.500 trabajadores indirectos verán peligrar sus puestos de trabajo.

Almacenamiento térmico por cambio de fase Este apartado se halla a medio camino entre la valorización de residuos y la conservación, ya expuestos en los párrafos anteriores, y el fomento de las energías renovables, y pretende dar solución a: •

•

Diferencia o no coincidencia en el tiempo entre la producción o disponibilidad de energía térmica y el consumo de los sistemas receptores. Inercia térmica, también denominada protección térmica.

•

Seguridad de suministro energético térmico en zonas clave: hospitales, centros de seguridad, informática, etc.

Dentro del ámbito de las sustancias usadas en el almacenamiento de energía, una buena clasificación es la ofrecida por Abhat, que se resume en la Figura 33.16. En ella se han resaltado los sistemas de almacenamiento basados en el modelo sólido/ líquido por la densidad de energía que permiten almacenar.

Figura 33.16. Clasificación de materiales para almacenamiento de energía térmica.


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Tabla 33.3. Propiedades comparativas de compuestos orgánicos e inorgánicos adecuados para el almacenamiento de calor. Orgánicos Ventajas

No son corrosivos. Buena estabilidad química. Estabilidad térmica (repetibilidad).

Elevada entalpía de cambio de fase.

Inconvenientes

Menor entalpía de cambio de fase. Baja conductividad térmica. Son inflamables.

Problemas de subfusión y corrosión. Segregación de fases. Poca estabilidad química.

Los materiales que se pretenden usar para almacenar energía, ya sean orgánicos o inorgánicos, deben reunir una serie de propiedades: •

• • •

• •

Inorgánicos

Temperatura de cambio de fase adecuada a la temperatura disponible del proceso (una característica a tener en cuenta es la energía sobrante de un proceso pero que se halla disponible a una temperatura determinada). El material debe tener una conductividad térmica lo más elevada posible. Alta densidad y poca variación de volumen con el cambio de fase. Estabilidad química y que no presente segregación de fases. Que permita un gran número de ciclos. Que sea compatible con los otros materiales que integran el sistema. Que no sea tóxico, contaminante ni explosivo.

Desde el punto de vista de las aplicaciones térmicas vale la pena diferenciar los materiales con gran inercia térmica y los destinados a acumular calor. En estos últimos se requiere, además de almacenar, que la conductividad térmica sea elevada para restituir el calor de manera rápida. La Tabla 33.3 sintetiza, en líneas muy generales, estas propiedades. Entre los materiales inorgánicos destacan las sales hidratadas en sus aplicaciones en el ámbito del almacenamiento de energía solar (en este campo las sales hidratadas y ácidos grasos, presentan un campo de almacenamiento de calor a baja temperatura, de 50 a 100 ºC; pueden ser económicas si son subproductos y tienen las ventajas del bajo nivel de corrosión y economía). Dentro de los materiales orgánicos, y cerca del mundo de los subproductos, destacan las ceras o las parafinas.

En el campo de la construcción sostenible se han llevado a cabo algunos estudios para la acumulación de calor en residuos densos procedentes de la construcción con polietileno de alta densidad que proporciona estabilidad estructural. Con los sistemas de almacenamiento por cambio de fase (PCM) pueden almacenarse del orden de 100 kWh por cada m3, frente a los 25 kWh/m3 de los sistemas por calor sensible. Actualmente el almacenamiento térmico de energía con cambio de fase más extendido es el que se realiza con agua, y se encuentra ampliamente comercializado e instalado (tanques de acumulación de hielo). Sin embargo la incorporación de nuevos materiales procedentes de la industria química o petroquímica con propiedades muy diversas y con temperaturas de cambio de fase muy diferentes ha abierto nuevos campos de aplicación para el almacenamiento térmico de energía por cambio de fase. Se encuentran muy diversas formas de presentación: •

•

Macroencapsulado: esferas, paneles y tubos. De esta forma se desarrollan depósitos de almacenamiento de agua o sistemas de refrigeración. Microencapsulado: esferas cuyo diámetro de partícula es del orden de micras en cuyo interior se encuentra el PCM. Se pueden utilizar en mezclas con materiales de construcción, impregnarse en ropa deportiva, etc.

Existen diversas empresas dedicadas al desarrollo y comercialización de materiales de cambio de fase en Alemania, Francia, Reino Unido, y que compiten en campos diversos de aplicaciones. La aplicación del PCM en los edificios es variada: producción de frío gratuito a tempera-

568


Figura 33.17. Esquema de refrigeración gratuita utilizando un sistema con cambio de fase.

turas moderadas (Figura 33.17), para sistemas de ACS (totalmente o disminuyendo el tamaño del acumulador, Figura 33.18), en calefacción y en frío, en los materiales de construcción con el aumento de la inercia térmica con el objetivo de protección contra heladas (materiales mezclados con PCM).

En otra escala, las aplicaciones son muy variadas: en macetas con doble pared con PCM en su interior para evitar heladas, en el transporte de alimentos o de sangre y órganos, suavizar picos exotérmicos de temperaturas en reacciones, refrigeración de motores eléctricos y de combustión, protección térmica de dispositivos electrónicos, etc.

Figura 33.18. Cápsula de PCM. Aplicación de cápsulas de PCM en un depósito para ACS.

El equipamiento doméstico Los principales factores de “insostenibilidad” tienen que ver con la energía, el agua, los materiales y el suelo (en particular la ocupación y el urbanismo). Desde el punto de vista estrictamente energético se podría decir que una práctica, con implica-

ciones energéticas, es sostenible cuando consume una cantidad de energía moderada que, sobre todo, no pone en riesgo la energía para futuras generaciones. En los siguientes apartados se presentan las principales instalaciones y equipos de la vivienda


que consumen energía y agua, y se comentarán acciones para disminuir su consumo y aumentar su aprovechamiento.

LOS ELECTRODOMÉSTICOS EN LA VIVIENDA El consumo eléctrico de un hogar en España es de alrededor de un tercio de toda la energía consumida, según se ha comentado en la Tabla 26.2. La tendencia de este consumo es de un claro crecimiento, pues se va incrementando año tras año. En la Tabla 33.4 se detalla cómo se reparte este consumo entre los distintos electrodomésticos y la iluminación.

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tra, de la A a la G. La A indica la máxima eficiencia y la G la mínima. Esto quiere decir que, aproximadamente, un electrodoméstico B consume sobre un 10% más que el A, el C un 20% más que el A. En total existen siete clases de eficiencia, que junto a las letras se identifican por un código de colores, desde el color verde y la letra A para los equipos más eficientes, hasta el color rojo y la letra G para equipos menos eficientes.

Tabla 33.4. Consumo eléctrico de los electrodomésticos y la iluminación en el hogar en España. (Fuente: A. Cerillo, Vanguardia 8/06/2008, pag. 32). CONSUMO ELÉCTRICO DE LOS ELECTRODOMÉSTICOS Frigorífico

18%

Iluminación

18%

Calefacción

15%

Televisor

10%

Vitrocerámica/cocina eléctrica

9%

Lavadora

8%

Pequeño electrodoméstico

7%

Horno eléctrico

4%

Agua caliente

3%

Microondas

2%

Lavavajillas

2%

Secadora

2%

Aire acondicionado

1%

Ordenador

1%

El funcionamiento de todos estos dispositivos eléctricos depende de los usuarios de la vivienda, tanto en su uso como de su compra. Esta es una diferencia respecto a los equipamientos de la vivienda que ya van incluidos en la compra de la propia vivienda. Comprar un equipo eficiente es importante y sencillo de identificar gracias a la etiqueta energética. En 1994 entró en vigor en España una directiva comunitaria que exige el etiquetado “energético” de los electrodomésticos. Desde esa fecha, todos los fabricantes debieron identificar cada producto con un nivel de eficiencia que se indica con una le-

Figura 33.19. Etiqueta energética de un electrodoméstico.

Su ámbito de aplicación es europeo y constituye una herramienta informativa al servicio de los compradores de aparatos consumidores de electricidad. Tiene que estar obligatoriamente en cada electrodoméstico puesto a la venta. Los tipos de electrodomésticos que tienen establecido el etiquetado energético son: • • • •

Frigoríficos y congeladores. Lavadoras. Lavavajillas. Secadoras.

570 • • • •


Lavadoras-secadoras. Fuentes de luz domésticas. Horno eléctrico. Aire acondicionado.

La etiqueta energética (Figura 33.19), permite al consumidor conocer de forma rápida la eficiencia energética de un electrodoméstico. Las etiquetas tienen una parte común, que hace referencia a la marca, denominación del aparato y clase de eficiencia energética. La otra parte, que varía de un electrodoméstico a otro, hace referencia a otras características, según su funcionalidad. Por ejemplo, la capacidad de congelación para un frigorífico, o el consumo de agua para lavadoras. Es muy importante saber que el consumo de energía para prestaciones similares puede llegar a ser casi tres veces mayor en los electrodomésticos de la clase G que en los de clase A. Si a eso se añade el hecho de que la mayor parte de los equipos (a excepción de las fuentes de luz) tiene una vida media que supera los diez años, el gasto en la factura eléctrica puede ser varias veces superior al precio de adquisición del mismo. Por ello, a la hora de la compra, hay que fijarse en el consumo de energía y optar, preferentemente, por los de clase A: son los más eficientes, lo que paga con creces el mayor coste que representa su compra. Al respecto hay estudios para frigoríficos, lavadoras, secadoras, lavavajillas, y en todos ellos es rentable comprar los del tipo A. La propia denominación de este equipamiento indica que la inmensa mayoría funciona con electricidad, si bien en algunos casos existen alternativas con otras fuentes de energía, fundamentalmente gas natural. Existen electrodomésticos de todos los tipos, tamaños y prestaciones, todo lo cual influye en gran medida en su consumo. >

Prácticamente la totalidad de las viviendas disponen de frigorífico, es el electrodoméstico que, con diferencia, más electricidad consume en el hogar. Al tener un uso continuo (solo se desconectan para eliminar la escarcha y limpieza o por ausencias prolongadas del hogar), tiene un consumo muy apreciable, aunque su potencia no sea muy grande, unos 200 W.

A diferencia de otros aparatos, las prestaciones del frigorífico dependen de las condiciones del lugar donde se ubique. Es necesario permitir la circulación de aire por la parte trasera del frigorífico y que esté alejado de focos de calor o de la radiación solar directa. El hielo y la escarcha son aislantes y dificultan el enfriamiento en el interior del frigorífico y aumentan su consumo. Existen modelos, los llamados no-frost o sin escarcha, que tienen una circulación continua de aire en el interior que evita la formación de hielo y escarcha. Para los frigoríficos y congeladores se han aprobado dos nuevas clases de eficiencia aún más exigentes que la clase A: la clase A+, que engloba a todos aquellos aparatos con un consumo inferior al 42% del consumo medio de un aparato equivalente, y la clase A++, que corresponde a los que consuman por debajo del 30%. La principal causa de la pérdida de frío de un frigorífico o congelador se debe al aislante, como indica la Tabla 33.5. Así, las clases más eficientes cuentan con el mejor aislamiento de los equipos. Tabla 33.5. Causas de pérdidas de frío en un frigorífico. CAUSAS PÉRDIDAS DE FRÍO EN UN FRIGORÍFICO Aislante

68%

Alimentos

13%

Junta puerta

8%

Aperturas

7%

Otros

4%

Calefacción

La calefacción es uno de los puntos de mayor consumo energético de un hogar. Muchos hogares utilizan combustibles fósiles, con calderas y radiadores de agua, (clasificación por estrellas: una estrella, eficiencia del 86% y 89,2% a plena carga; cuatro estrellas, la más eficiente, entre el 92% y 96,8%). Aunque no constituye un verdadero electrodoméstico, sí puede comprarse en las mismas tiendas, y en muchos hogares españoles solo son utilizados elementos para calefactores, como simples radiadores, estufas de butano, convectores, etc., que constituyen un verdadero electrodoméstico. Los sistemas eléctricos para calefacción, radiadores y convectores eléctricos por resistencia


eléctrica, no son aconsejable desde el punto de vista de la eficiencia energética. Transformar un combustible fósil en electricidad en una central eléctrica, para luego convertir esta electricidad en calor, no tiene sentido desde el punto de vista de la eficiencia. La bomba de calor permite, como sistema eléctrico, una eficiencia de la producción de 2 a 4 kW de calor por cada kW de consumo eléctrico, lo que se conoce como COP. La instalación por bomba de calor se puede llevar a cabo con una gran instalación o en equipos individuales de electrodomésticos, que en este caso están sometidos a la clasificación por letras y colores. La bomba de calor si esta preparada puede invertir su circuito y producir frío. La calefacción eléctrica por acumulación, utilizando resistencias, y asociado a la tarifa nocturna, que en 2008 se modifica, deja de tener interés, aparte de que la recarga se debe hacer de noche (con tarifa reducida) pero no se puede regular ni adaptar a las condiciones de cada día. Televisión

En general la potencia del televisor es pequeña, pero su utilización es grande, por lo que su consumo total resulta considerable. El usuario es el responsable del consumo. Además, hay una demanda de equipos de pantalla cada vez más grande y de mayor potencia. Hay que resaltar que un televisor en modo de espera puede consumir un 15% de las condiciones normales de funcionamiento, por lo que para ausencias prolongadas o cuando no se esté viendo la televisión conviene apagarlo totalmente. Cocina, vitrocerámica y microondas

Las cocinas vitrocerámicas se han impuesto por su limpieza. Las eléctricas necesitan mucha potencia para su funcionamiento. La placa vitrocerámica tiene todas las ventajas desde el punto de ser casi transparente a las radiaciones térmicas, el problema reside en la conversión electricidad-calor, ya comentada en la calefacción eléctrica. Hay que utilizar los sistemas de inducción que calientan los alimentos generando campos magnéticos, son más rápidas y eficientes dentro del calentamiento eléctrico. También hay vitrocerámicas con gas, más complejas, aunque son más eficientes. Las cocinas tradicionales a gas son más eficientes desde la óptica energética que las vitrocerámi-

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cas. La potencia de un elemento de vitroceramica varía de los 2.300 W para diámetros de 23 cm, 1.800 W para los de 18 cm y llegan a los 1.200 W para las unidades más pequeñas. En gas la potencia es de 3.000 W hasta los 1.700 W, aunque hay cocinas con elementos especiales que alcanzan los 3.800 W. Las cocinas a gas son más eficientes por una parte por la mejor transmisión del calor, pero por otra porque es preferible utilizar un combustible que se queme directamente. De esta forma se aprovecha todo su poder calorífico. Si se utiliza la energía eléctrica, es necesaria una conversión previa a partir de un combustible, que en el mejor de los casos alcanza del 40 al 50%, aparte las pérdidas posteriores del 7% en el transporte de la electricidad. Los hornos microondas domésticos operan en frecuencias de 2.450 MHz en el rango de energía de 500 a 1.100 vatios. Las microondas son producidas por un tubo electrónico llamado magnetrón. Una vez que el horno es encendido, las microondas se dispersan en la cavidad del horno y son reflejadas por un ventilador agitador de modo que las microondas sean propagadas en todas direcciones. Son reflejadas por las partes de metal de la cavidad del horno y absorbidas por el alimento. La uniformidad del calentamiento del alimento es usualmente asistido colocando al alimento sobre una plataforma rotatoria en el horno. Las moléculas de agua vibran cuando absorben la energía del microondas y la fricción entre las moléculas da lugar al calentamiento del alimento. A diferencia de los hornos convencionales, las microondas son absorbidas solo en el alimento y no en los contornos de la cavidad del horno, de ahí su elevada eficiencia. Lavadora

Después del frigorífico y el televisor, la lavadora es el electrodoméstico que más energía consume en el conjunto de hogares españoles. La práctica totalidad de las viviendas españolas disponen de una lavadora y, por término medio, se utiliza entre tres y cinco veces por semana. La mayor parte de la energía que consumen, entre el 80 y el 85%, se utiliza para calentar el agua, por lo que es muy importante recurrir a los programas de baja temperatura.

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En la etiqueta energética de la lavadora aparecen reflejados la eficacia de lavado, la eficacia del centrifugado y el consumo de agua, aparte del consumo de energía por ciclo. Hay lavadoras que tienen entrada de agua caliente, lavadoras bitérmicas, utilizando el agua procedente de calderas de gas a fin de evitar la conversión de electricidad a calor de las resistencias eléctricas de la lavadora. Horno

Existen hornos a gas y eléctricos, mucho más eficientes los primeros, aunque son más habituales los segundos. Los eléctricos disponen de etiquetado energético, y distingue entre tres tipos de tamaños, según el volumen útil. Un horno de clase G consumirá más del doble de energía que uno de clase A. Su consumo no es de los mayores por su menor utilización. El ahorro de energía debe perseguirse por la compra de uno de nivel A y de convección pues favorecen la distribución uniforme del calor, ahorran tiempo y por tanto energía. Su utilización eficiente, aprovechando al máximo su capacidad, no precalentar en cocciones largas, apagar un poco antes de finalizar la cocción y no abrir innecesariamente su puerta, permiten reducir el consumo. La potencia de un horno eléctrico está alrededor de los 2.300 W. Los hornos por convención tienen unas resistencias en la parte alta y otras en la parte baja que calientan el aire. El calor se dispersa y dora los alimentos. Lo normal es que las resistencias puedan funcionar a la par o de manera independiente. La aparición de los hornos multifunción incorpora nuevos formatos de cocción, como el llamado de aire forzado, donde el

horno cuenta con un ventilador trasero que reparte el aire caliente de manera más homogénea. Dentro de estos modelos están los que incorporan grill para gratinar los alimentos. Las innegables ventajas de los hornos multifunción han hecho que el mercado sea sensible a esos avances independientemente de su consumo. Actualmente se está impulsando la realización de “hornos” solares para la cocina. Aún esta a un nivel de prototipos, como se observa en la Figura 33.20, donde se ha añadido la foto termográfica que muestra la mayor temperatura en su parte interior, alrededor de los 61 ºC. En realidad no son hornos, sino un elemento de cocción. La cocción de alimentos es un proceso que requiere temperatura y tiempo, de hecho la cocción parte a los 50 o 60 ºC. Mientras mayor sea la temperatura, más rápida es la cocción. El ideal son temperaturas de 80 a 100 ºC. Temperaturas mayores pueden destruir vitaminas y proteínas en los alimentos. Lavavajillas

Es uno de los electrodomésticos que más energía consume. De esta el 90% es para el calentamiento del agua. Los desarrollos tecnológicos han alcanzado su techo, siendo muy abundantes las de clase A y B. Para el ahorro es conveniente utilizar los programas económicos. También hay modelos que permiten entrada de agua caliente externa (bitérmicas) que permiten el ahorro de energía y tiempo. Secadora

Es un gran consumidor de energía eléctrica, cada vez más empleado por su gran comodidad.

Figura 33.20. Prototipo de horno para cocción solar.


Se recomienda su uso en situaciones de urgencia o cuando las condiciones climatológicas no permitan el secado natural. Las secadoras con gas son más eficientes, y las hay que incluyen ciclos con enfriamiento progresivo que permiten terminar de secar la ropa con el calor residual de la secadora. El control electrónico es importante para determinar el consumo en este electrodoméstico. Las secadoras indican si son de extracción o de condensación, como información de si necesitan o no una extracción al exterior. El centrifugado de la lavadora es muy importante para eliminar previamente la humedad de la ropa y reducir el consumo de la secadora. Aire acondicionado

Es uno de los electrodomésticos que más está creciendo estos últimos años, tanto en viviendas como en cualquier establecimiento. No es habitual la construcción de viviendas con aire acondicionado centralizado, que son más eficientes, por lo que se adquiere como electrodoméstico. Existen sistemas compactos y sistemas partidos, según si separan o no el evaporador (en el interior) y el condensador (en el exterior). Hay unos modelos conocidos popularmente como “pingüinos” que son transportables. De estos existen con una manguera por la que expulsa aire caliente al exterior o con todo el condensador situado al exterior. Estos son menos eficaces que los fijos. Hay muchos equipos que son reversibles y pueden suministrar calor. Los equipos de bomba de calor son aparatos que con pocos elementos más son reversibles. La etiqueta energética indica el consumo de energía, la capacidad frigorífica, el EER o coeficiente de eficiencia energética en frío y también el COP o eficiencia en calor cuando exista. Como se ha comentado en anteriores apartados, estos sistemas han mejorado con sistemas como el inverter (regulación de la potencia por variación de la frecuencia, adaptando la potencia a la demanda), mejora de los ventiladores y sistemas de intercambio, electrónica de control, etc. En estos últimos años han vuelto con fuerza y eficacia los sistemas evaporativos que, aunque no son propiamente un aire acondicionado, sí permiten

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refrescar el ambiente con poco consumo de energía. La mejora de la tecnología y su bajo consumo ha permitido esta nueva implantación sobre todo en climas secos. Su principio de funcionamiento se basa en hacer pasar una corriente de aire por una bandeja llena de agua, o por cortinas de agua, que al evaporarse, humedecen la atmósfera y la enfría, bajando la temperatura del aire. Iluminación

La iluminación es uno de los elementos que más consumen en el hogar, alrededor del 18% (Tabla 33.4). Esta puede realizarse con muchos tipos de lámparas: incandescentes, halógenas, fluorescentes, fluorescentes compactas, lámparas de descarga de vapor de mercurio a alta presión, de halogenuros metálicos, de vapor de sodio a baja o alta presión…, de diferente duración, potencia, y eficiencia. Las más habituales en los hogares son las de incandescencia. Estas tienen una eficiencia nefasta respecto a su aprovechamiento para generar luz, pues de la energía irradiada, la mayoría es energía térmica y solo alrededor de un 19% corresponde al espectro visible. Si se tiene en cuenta que el rendimiento de las centrales eléctricas se sitúa entre el 38 y 50% (estas últimas con ciclo combinado) de eficiencia de la energía primaria consumida, y además se pierde del 7 al 10% en el transporte, se obtiene un aprovechamiento para la iluminación del 6,5 al 8,5% respecto a la energía primaria consumida. Aparte deberían considerarse los efectos de la extracción y del transporte del combustible utilizado por la central eléctrica. Además, este tipo de lámparas tiene muy poca duración, unas 1.000 horas. La eficacia luminosa se mide por el cociente entre el flujo luminoso emitido y la potencia eléctrica de la fuente. Se expresa en lúmenes/vatio (lm/W) y así en las lámparas de incandescencia se obtiene unos 19 lm/w. Las lámparas halógenas no son más que lámparas de incandescencia, en cuyo interior se ha añadido un compuesto halogenado, habitualmente bromuro de metileno, con lo que consiguen temperaturas de color del orden de 3.000 k frente a los 2.700 k de las de incandescencia tradicionales, con una duración de 2.000 a 5.000 horas y rendimien-

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tos del 25 al 30% en vez del 19%. Esta tiene una luz muy “blanca”, con una excelente reproducción cromática, que junto a su tamaño y duración hace que estén muy implementadas en el mercado. Tanto las incandescentes como las halógenas admiten una regulación simple que se puede integrar fácilmente en un sistema domótico. Los llamados tubos fluorescentes están clasificados dentro de las lámparas de descarga, en este caso con mercurio a baja presión. Habitualmente las lámparas de descarga necesitan de “equipos auxiliares”, cebador, reactancia, para iniciar su funcionamiento. Emiten básicamente luz ultravioleta, y algo de visible, entre los electrodos situados en sus extremos entre los que salta la descarga. Debido al recubrimiento fluorescente en el interior del tubo, la radiación se transforma en visible con una eficacia relativamente alta, de 60 a 100 lm/W, es decir de tres a cinco veces la de una bombilla de incandescencia. La duración es muchísimo mayor, alrededor de 14.000 a 18.000 horas, aunque esta varía en función del número de encendidos, en los que además se inicia la descarga inicial, con un mayor consumo. Dentro del ámbito de las lámparas fluorescentes existen dos subtipos perfectamente diferenciados: las tubulares estándar, con electrodos en los extremos, y las denominadas lámparas fluorescentes compactas, de menor tamaño, formadas por tubos fluorescentes más cortos, doblados o conectados entre sí, que forman conjuntos de varias unidades. De entre las múltiples variedades de lámparas fluorescentes a las que han dado lugar los sucesivos desarrollos, es preciso destacar las lámparas denominadas “trifósforo”, que permiten la obtención de una reproducción cromática excelente. Estas lámparas, al poder funcionar con controladores electrónicos de alta frecuencia, permiten la regulación del flujo luminoso y de la potencia eléctrica, con lo que son idóneas para el aprovechamiento de la luz natural. Otro tipo de lámparas, poco utilizadas en el interior de las viviendas, son las de vapor de mercurio a alta presión. En estas, la emisión por descarga proporciona mayor radiación visible y menor ultravioleta, por lo que la participación de la fluorescencia en el flujo total es menos significativa que en las lámparas a baja presión. Los polvos fluorescentes se emplean más para mejorar el rendimiento

de color que para la eficacia de la lámpara, aunque empleando recubrimientos específicos también se mejora su eficacia. Al contrario que las otras lámparas de descarga, no precisan de un arrancador para iniciar la descarga; pero como las lámparas fluorescentes, son sensibles a las bajas temperaturas. Estas lámparas tienen una baja eficacia luminosa, de solo unas tres veces la de incandescencia, pero, con una mala reproducción cromática, lo que les ha llevado a su poca introducción en el hogar. Son regulables desde alrededor del 60% de su consumo eléctrico. Su duración es algo inferior a una lámpara fluorescente. Existen otro tipo de lámparas, las de vapor de mercurio y de sodio a alta presión, que tienen interés para el exterior de edificios, viales, industrias, o el interior de grandes edificios, etc. Las primeras son lámparas de vapor de mercurio con halogenuros metálicos, análogas estructuralmente a las de mercurio a alta presión, pero funcionalmente son muy distintas ya que el mercurio actúa casi exclusivamente como elemento regulador y dependen de los aditivos y composición de los halogenuros introducidos. Como el resto de las lámparas de descarga, precisan de un arrancador para provocar la descarga. Tienen la peculiaridad de que precisan de al menos diez minutos para que, en caso de corte de suministro eléctrico durante su funcionamiento, puedan volver a encenderse, dada la elevada temperatura que se alcanza en el tubo de descarga. Las ventajas más importantes son: muy alta eficacia luminosa, aproximadamente como un fluorescente (90-100 lm/w); reducción de la radiación térmica y, por tanto, menos necesidad de evacuación del calor; excelente reproducción cromática y larga duración de vida. Estas lámparas son regulables en su flujo y potencia eléctrica, mediante elementos electrónicos de alta frecuencia. Las lámparas de sodio a alta presión llevan vapor de sodio entre 1 y 10 atmósferas en el tubo de descarga. Originalmente estas lámparas llevaban una pequeñísima cantidad de mercurio en el interior del tubo para favorecer el arranque, pero hoy en día ese mercurio está siendo eliminado totalmente de su constitución al emplearse otros procedimientos, tales como una antena interna, para favorecer su arranque. Estas lámparas son las de mayor eficacia luminosa, pero al ser su índice de


reproducción cromática muy bajo no se suelen emplear en alumbrado interior. Esta se ha mejorado con las de “sodio blanco”, que son una variante con una mayor presión en el tubo de descarga. En estas lámparas también pueden regularse la intensidad, aunque dentro de ciertos límites, y precisan de un sistema electrónico que además estabilice la tensión de alimentación. Las lámparas, como los electrodomésticos, también están clasificadas según su eficiencia por letras, con la A para las más eficientes, fluorescentes… y la F y G para las menos eficientes como las de incandescencia. La iluminación en la edificación está regulada por el DB-HE3: “Eficiencia energética de las instalaciones de iluminación”, aunque su aplicación excluye el interior de las viviendas. Uno de los parámetros más importantes que se indica en el DB-HE3 es la eficacia energética de la instalación de iluminación (VEEI) de una zona, que se determina mediante el valor de eficiencia energética de la instalación en W/m2 por cada 100 lux. Así la Tabla 2.1 del DB-HE3 da los valores límite, que no se pueden superar, de eficiencia energética de la instalación, considerando dos grupos: grupo 1 o zonas de no representación (aulas y laboratorios, aparcamientos, espacios deportivos…) y grupo 2 o zonas de representación (bibliotecas, grandes almacenes, habitaciones de hoteles, tiendas…). En el primer grupo el VEEI varía entre 3,5 y 6 y en el segundo de 6 a 10, con un valor de VEEI específico para cada actividad indicada en la citada tabla. Entre otras exigencias, determina que las instalaciones de iluminación dispondrán, para cada zona, de un sistema de control, y en su caso de regulación, que optimice el aprovechamiento de la luz natural. Cualquier instalación tendrá un sistema de encendido y apagado manual, cuando no disponga de otro sistema de control, no aceptándose los sistemas de encendido y apagado en cuadros eléctricos como único sistema de control. Bajo ciertas condiciones se deberán instalar sistemas de aprovechamiento de la luz natural, que regulen el nivel de iluminación en función del aporte de luz natural, en la primera línea paralela de luminarias situadas a una distancia inferior a 3 m de la ventana, y en todas las situadas bajo un lucernario.

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El DB también exige, salvo justificación, que las lámparas utilizadas en la instalación de iluminación de cada zona tengan limitadas las pérdidas de sus “equipos auxiliares”, por lo que la potencia del conjunto lámpara más equipo auxiliar no superen ciertos valores (Tablas 3.1, Lámparas de descarga; y 3.2, Lámparas halógenas de baja tensión, del DB HE3). Por último, se exige la existencia de un plan de mantenimiento de la instalación de iluminación.

CONSUMO SOSTENIBLE EN LA VIVIENDA El ahorro de energía en la vivienda es un objetivo que se ha tratado en muchos foros. EL IDAE ha editado (2ª edición de 2007) una interesante y completa guía práctica del consumo eficiente y responsable de la energía. El Col.legi d’Aparalladors i Arquitectes Tècnics de Barcelona ha editado los 21 consells per tenir un habitatge sostenible. En la misma línea se pueden encontrar artículos en periódicos como “Decálogo contra el derroche energético” referidos a mejorar los hábitos domésticos y hacer frente al consumo de energía y a la subida de la tarifa eléctrica. Todo este capítulo sobre la edificación ha tratado del ahorro energético, tanto desde la concepción de una vivienda a la utilización de todos sus elementos. También debe hacerse hincapié en el mantenimiento de la vivienda y sus elementos para que siempre estén en condiciones de dar su mejor eficiencia. En el caso de una rehabilitación pueden aplicarse muchos de los conceptos desarrollados. En los siguientes párrafos se realiza una síntesis de consejos para el menor consumo de energía y realizar un consumo energético sostenible. Correcto aislamiento de la vivienda

Alrededor dos tercios de la energía consumida se deben a la climatización, ACS e iluminación. Es en estos usos donde se deben centrar las principales acciones para disminuir el consumo de energía. La climatización supone cerca del 40% (calefacción, aire acondicionado, ACS, e indirectamente la iluminación) y de ahí que haya que aislar la casa para ahorrar energía. Puertas, ventanas y cajas de persianas deben cerrar a la perfección y con este fin existe en el mercado una gran variedad de gomas adhesivas y materiales aislantes que evitan

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esas pérdidas. Tampoco hay que abusar de la ventilación en invierno, unos diez minutos, para no aumentar el consumo de calefacción al enfriarse la casa. Los buenos hábitos permiten ahorrar hasta un 40% del consumo de calefacción, según la fundación Terra. Es necesario hacer periódicamente una revisión de las partes exteriores del edificio para evitar filtraciones y que las roturas se propaguen hacia el interior. Estos problemas, al margen de las pérdidas de calor, pueden afectar a la estabilidad mecánica de la edificación. Si se sustituyen cristales sencillos, valorar si es posible que sean con cámara de aire. Mejor si se puede sustituir todo el marco con vidrios dobles con cámara. Se puede ahorrar hasta un 70% de energía, según se ha visto en la Tabla 29.9. Para mejorar el aislamiento es mejor que los vidrios sean dobles (laminados), y con un doble marco. Puede colocarse aislamiento suplementario en las paredes de fachada entre pared interior y exterior o incluso en el interior. También puede reforzarse el aislamiento en tejados inclinados o planos, aprovechando cuando se repara la impermeabilización para añadir un espesor de material aislante. Todos estos aspectos han sido tratados con detalle en los materiales aislantes para la rehabilitación. Calefacción y aire acondicionado

El aire acondicionado debería ser de clase A, consume entre un 30% y un 40% menos de electricidad. El aire acondicionado solo supone el 1% del consumo energético, según se ha comentado en la Tabla 33.4, sin embargo su proliferación está teniendo un gran impacto sobre la demanda punta, según ha comentado recientemente el ICAEN. Incluso ha desplazado el máximo consumo en punta del invierno al verano. Se recomienda que los termostatos no se sitúen nunca por debajo de los 25 ºC en verano o por encima de los 20 ºC en invierno. En última instancia, para lograr un ahorro máximo se necesitaría garantizar que la vivienda, la casa, esté bien construida, bien aislada, con una correcta ventilación. Las calderas de gas deben ser de encendido electrónico, evitan tener encendido permanentemente el piloto. Realizar la revisión anual de la caldera: mantiene la correcta combustión, produ-

cirá menos gases contaminantes y menor consumo de combustible. En los equipos de aire acondicionado también es conveniente su revisión, en particular si son viejos y contienen CFC. El CTE obliga en las viviendas de nueva construcción y en reformas y rehabilitaciones importantes a la utilización de energía renovable. Este tipo de instalaciones deben tenerse en cuenta cuando se realicen nuevas instalaciones o simplemente cambios, aunque no se efectúe una remodelación de la vivienda. Para un mejor confort se recomienda ventilar por la mañana o por la noche cada día durante unos diez minutos cuando funcione la calefacción o el aire acondicionado, auque se puede alargar en otras épocas del año cuando estas no funcionen. Ventilar el cuarto de baño después de ducharse. Por la noche en invierno bajar las persianas para evitar pérdidas de calor. Menor consumo de agua, y sobre todo agua caliente

El uso del agua debe controlarse. Se recomienda usar grifería con difusores eficientes y utilizarlos también en la ducha, permiten ahorrar hasta el 60% de agua y energía. También es mejor lavar los platos en un lavavajillas lleno, o en un lavadero, que lavarlos con un grifo abierto en continuo. No utilizar agua por encima de los 35 ºC. Controlar los dispositivos de calentar agua, ya que es menos eficiente calentar agua a una temperatura más alta que la requerida, para luego tener que mezclarla con agua fría para obtener agua a la temperatura deseada. El calentador debería situarse lo más próximo del punto de consumo, pues se tiene una respuesta más rápida y no se pierde agua caliente al iniciar y al finalizar. Se realizará la revisión periódica de estos dispositivos, para conseguir una correcta y eficiente combustión. Los inodoros pueden ser de seis litros de descarga o menos, en vez de los antiguos de nueve, o incluso de doble descarga o interrumpibilidad para permitir descargas de tres litros. Utilizar la ducha (alrededor de 30 litros) en vez de la bañera (300 litros). Realmente cada vez se venden más platos de ducha y menos bañeras. No dejar los grifos abiertos mientras se lavan los dientes, en el enjabonado


en la ducha, en el lavado de platos a mano. Controlar que no haya fugas de agua y que los grifos cierren perfectamente (una gota cada segundo pueden convertirse en 1.000 litros al mes).

Es el electrodoméstico que más consume, por lo que se recomienda especialmente que sea de clase A para evitar las pérdidas a través de su aislamiento. Su colocación debe ser la adecuada; es importante la ventilación en su parte posterior, puede ahorrar un 15%, y lejos de fuentes de calor. La rejilla posterior debe limpiarse por lo menos una vez al año. La temperatura del frigorífico debe estar entre los 4 y 6 ºC y a –18 ºC el congelador. No deben introducirse alimentos calientes, se deben dejar fuera hasta que estén a temperatura ambiente, se ahorra energía. Cuando se saque un alimento del congelador para su consumo al día siguiente, se debe descongelar en el compartimiento de refrigeración de la nevera, en vez de al exterior, de nuevo se recupera energía. No son muy importantes las pérdidas por abrir y cerrar la puerta de la nevera. Sí es importante que cierren bien las puertas, las gomas de la puerta deben estar en buen estado. Descongelar a menudo el frigorífico, ya que mantener una capa de hielo impide la transmisión de calor eficiente por su masa y características aislantes. Cocina y horno

Evitar en las cocinas de gas que la llama sobresalga del recipiente y que si hay líquidos estos puedan apagar la llama si se derraman. En vitrocerámicas utilizar únicamente recipientes adecuados para este tipo de cocinas, de fondo grueso y plano. Apagar la placa unos minutos antes de que se termine la cocción. Durante la cocción tapar los recipientes para evitar pérdidas de calor, bajar la potencia de la llama cuando se alcance la temperatura correcta. La olla a presión permite un ahorro y además cocinar más rápido, a la vez que los alimentos no pierden minerales. Respecto al horno ya se han dado varias indicaciones en el apartado anterior sobre su uso eficiente El microondas es un buen sustituto del horno y la cocina para descongelar, calentar líquidos o cocinar. La cocción es más rápida y eficiente.

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Lavadora, secadora y lavavajillas

Recurrir a programas económicos y de baja temperatura, de 30 a 40 ºC. Comprar y utilizar lavadoras bitérmicas con las que se puede ahorrar el 25% de la energía. Llenar la lavadora para aprovechar el lavado. Realizar centrifugados a altas revoluciones compatible con el tipo de ropa. La energía mecánica, centrífuga, siempre es más eficiente que la térmica para la evaporación. Colgar la ropa en un tendedero para su secado, y utilizar la secadora como último recurso. La ropa ligeramente húmeda se plancha mejor. Limpiar periódicamente el filtro de la lavadora, y sobre todo de la secadora. Parecidas consideraciones pueden realizarse para el lavavajillas. Lámparas de bajo consumo

Las lámparas de clase A duran unas ocho veces más y consumen de un 20 a un 25% menos que las convencionales de incandescencia que además calientan. Su mayor costo se amortiza ampliamente. Limpiar bombillas y pantallas pues dará más luz y duraran más. La importancia de utilizar este tipo de bombillas queda reflejado en la distribución y reparto a los hogares españoles de 21,96 millones de lámparas de bajo consumo por un importe total de 42 M€. Las bombillas se regalarán a los españoles con el fin de mentalizarles de la importancia que tiene para el país el ahorro energético. La autorización desarrolla una de las medidas del Plan de Activación del Ahorro y la Eficiencia Energética 2008-2011 aprobado por el Consejo de Ministros, en su reunión del pasado 1 de agosto. Dicha medida establecía que se entregarán bombillas de bajo consumo a través de vales de regalo en la factura de la luz, a razón de una bombilla de bajo consumo por cada hogar en 2009 y otra en 2010. El reparto comenzará en febrero de 2009. Una lámpara de bajo consumo ahorra unos 100 € durante su vida útil, ya que consume un 80% menos de energía para producir la misma cantidad de luz. En la misma línea, por ejemplo, el ayuntamiento de Barcelona comunicaba, en enero de 2009, que invertiría en el actual mandato 62 millones de euros para mejorar el alumbrado de la ciudad, evitando la contaminación lumínica y aprovechando

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al máximo su potencia. Así se cambiarían 30.000 puntos de luz de la ciudad, a pesar de que “Barcelona cumple las recomendaciones internacionales” en materia de iluminación.

LOS ELECTRODOMÉSTICOS EN STAND BY Apagar los electrodomésticos con el mando a distancia, en especial la televisión, equipos de música y otros dispositivos electrónicos, no es

suficiente. Si un televisor funciona entre tres y cuatro horas al día el consumo al día o anual puede duplicarse si el resto del tiempo está en espera, en que el consumo es del 15% del pleno funcionamiento. Dentro de este apartado, comentar que los dispositivos electrónicos que funcionan indistintamente con pilas y a la red, deben conectarse siempre que sea posible a la red.

Otros aspectos de la futura vivienda sostenible Muchos de los aspectos de la vivienda sostenible, comentados en anteriores párrafos, son perfectamente conocidos y la nueva dimensión se alcanza al darles una cohesión total con el fin de conseguir una sostenibilidad global. En esta línea pero con aspectos novedosos varias importantes compañías ya están desarrollando sistemas que permitan de manera eficiente, gestionar y generar energía para que las casas no consuman apenas energía de la red general, o al menos reduzcan su gasto energético casi por completo. Por ejemplo General Electric ha iniciando en 2009 el proyecto denominado GE-Net-Zero Project, que permitirá, tanto a las constructoras como a los propietarios de las casas, convertir a los edificios en auténticas fuentes de ahorro energético. La previsión es que este proyecto se pueda lanzar al mercado en 2015. GE-Net-Zero Project es el resultado de una combinación de tecnologías que contemplan: eficiencia energética, gestión de la energía, y la generación y almacenamiento de la energía. •

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Las tecnologías energéticamente eficientes incluyen electrodomésticos y sistemas de iluminación, que reducen el consumo energético en el hogar. Ejemplo de ello son los electrodomésticos que combinados con otras tecnologías podrán optimizar su consumo retrasándolo o reduciéndolo en los momentos de mayor demanda. Las tecnologías de gestión de energía permitirán a los consumidores gestionar sus costes y su consumo energético. Constituye el centro neurálgico del proyecto y trabaja-

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rá en conjunto con todas las demás tecnologías disponibles en la casa para optimizar el consumo de energía. Tecnologías de generación/almacenaje de energía, como paneles solares o films de última generación, turbinas eólicas, almacenamiento avanzado de energía.

El sistema GE-Net-Zero Project tiene su fundamento en las tecnologías de redes inteligentes. Su objetivo es dotar de inteligencia a las redes de distribución eléctrica para permitir un mejor aprovechamiento y una mayor eficiencia. Entre otras ventajas, las redes inteligentes permitirán optimizar la integración de la energía procedente de fuentes renovables y ayudará a los consumidores a planificar y gestionar su consumo energético y a controlar su factura eléctrica. Además, al proporcionar información automatizada de la red en tiempo real, las empresas suministradoras podrán prevenir problemas y reaccionar rápidamente en caso de apagones. A su vez, esta tecnología permitirá recargar los coches eléctricos durante las horas de menos demanda para que no resulte un problema. Panasonic en colaboración con la empresa danesa SEAS-NVE sigue un camino paralelo con su sistema Lifinity de Gestión de Energía Doméstica (HEMS, en sus siglas en inglés) que también busca la generalización de las viviendas sostenibles. El inicio de las pruebas de este proyecto coincide con la realización de la Conferencia de Naciones Unidas sobre el Cambio Climático. Allí presentan el prototipo de una “eco vivienda” que permitirá demostrar cómo los objetivos de reducción de emi-


siones pueden ser alcanzados. El sistema permite ahorrar energía mediante el análisis y visualización constante del consumo, registrado en los medidores inteligentes, el cual aconseja sobre los patrones de consumo y gestiona los electrodomésticos, sistemas de calefacción e iluminación del hogar a través de su propio panel de control, o bien mediante un PC o dispositivos móviles del usuario. El sistema integra las más innovadoras tecnologías para

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ahorrar, generar y almacenar energía en el hogar y reducir así las emisiones nocivas. Utiliza una red inteligente que permitirá unos hábitos de vida más sostenibles sin sacrificar la comodidad. La prueba piloto constará de dos fases y posteriormente está previsto que se integre en los hogares de muchos de los 350.000 clientes que tiene SEAS-NVE en Dinamarca.

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LA NUEVA NORMATIVA, CTE, RITE, CERTIFICACIÓN DE EDIFICIOS… CONSTITUYE UN PASO ADELANTE, DE OBLIGADO CUMPLIMIENTO, PERO NO ES MÁS QUE EL PUNTO DE SALIDA PARA CONSEGUIR UN EDIFICIO SOSTENIBLE. •

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El Código Técnico de la Edificación (CTE), el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) y la Certificación Energética de la Vivienda constituyen la normativa más importante de la reglamentación española que afecta a la edificación. El CTE es el marco normativo por el que se regulan las exigencias básicas de calidad que deben cumplir los edificios, y sus instalaciones, para satisfacer los requisitos básicos de seguridad y habitabilidad. La primera parte contiene las disposiciones de carácter general y en la segunda desarrolla los Documentos Básicos, denominados DB, que contienen procedimientos, reglas técnicas y ejemplos de soluciones. Particular interés tiene el Documento Básico “Ahorro de energía”, DB-HE, que tiene por objetivo el uso racional de la energía necesaria para la utilización de los edificios, reduciendo a límites sostenibles su consumo y conseguir asimismo que una parte de este consumo proceda de fuentes de energía renovable. El RITE establece las condiciones que deben cumplir las instalaciones de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria, para conseguir un uso racional de la energía. En la primera parte presenta las disposiciones generales y en la segunda las disposiciones técnicas (IT). Con el fin de facilitar el cumplimiento del RITE se crean los denominados documentos reconocidos, que se definen como documentos técnicos sin carácter reglamentario, pero que cuentan con el reconocimiento de la Administración. El RITE es una reglamentación básica del Estado y cada comunidad autónoma podrá introducir requisitos adicionales. La Certificación Energética de los Edificios regula en el estado español el procedimiento básico que debe cumplir la metodología de cálculo de la calificación y certificación de la eficiencia energética de los edificios. Este permite al usuario disponer de la información para comparar y evaluar la eficiencia energética de cualquier edificio mediante una etiqueta, que varía desde la A, para los edificios más eficientes, hasta la G, para los menos eficientes. Actualmente hay dos opciones de calificación posibles: la opción general y la opción simplificada. La primera permite obtener la calificación de la A a la G, y debe utilizarse hoy en día el programa informático de referencia CALENER. La simplificada solo puede aplicarse a edificios de viviendas y es un

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método de carácter prescriptivo en el que se utilizan unas tablas que permiten obtener como máximo la calificación D. Una comparación de la reglamentación española con la de Francia, Italia y Portugal refleja que los requerimientos de aislamiento en distintos elementos (muros, suelos, cubiertas, acristalamientos) son menores en España. El aislamiento reglamentario propuesto por el CTE puede ser mejorado, con un mayor aislamiento, con lo que resulta una edificación más eficiente y de una forma global también más económica. Con espesores matemáticamente óptimos se pueden alcanzar ahorros de energía que van del 14% en una zona A4 al 34% en una zona C1, en comparación del aislamiento mínimo exigido por el CTE.

Introducción Dentro de la normativa española más importante sobre la edificación y sus aspectos energéticos hay que citar: • LOE. Ley de Ordenación de la Edificación. • RD. Ley 37/2003 del Ruido. • CTE. Código Técnico de la Edificación RD. 314/2006-RD 1371/2007. • RITE. Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios - RD 1024/2007. • Certificación Energética - RD 47/2007. • PEAEE4+ Plan de Acción 2005-2007 y 2008-2012 de la Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética. Dentro del ámbito europeo, la reglamentación esencial es: • CPD. Directiva 89/106/CE de Productos de la Construcción. • EPBD. Directiva 2002/91/CE de Eficiencia Energética. • ESD. Directiva 2006/32/CE de Servicios Energéticos. Otras reglamentaciones europeas de interés:

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Directiva 2001/77/EC - Fomento de Energías Renovables. • Directiva 2003/96/EC - Impuestos Energéticos. • COM 2006/848 - Guía sobre Cambio Climático y Energías Renovables. • COM 2006/545 - Plan de Acción de Eficiencia Energética. En los próximos apartados se comentan las normativas de mayor interés de la reglamentación española, CTE, RITE y la Certificación Energética, así como una comparativa con las distintas normativas de los países más próximos a España. Por último también se realiza una comparación del consumo energético de varias casas apareadas idénticas, excepto en que en unas se sigue estrictamente el CTE y en otras se ha optimizado el espesor del aislamiento. De estas dos últimas comparativas puede concluirse que el CTE, aunque supone una mejora respecto a anteriores normativas, aún queda lejos de otras normativas europeas. También, no hay que ceñirse únicamente al CTE, pues pueden realizarse soluciones más innovadoras que permiten mayores ahorros energéticos y económicos que los que se obtiene de la aplicación estricta de la CTE.

$ ^$_ El Código Técnico de la Edificación, conocido por las siglas CTE, corresponde al Real Decreto 314/2006, de 17 de marzo, publicado por el Ministerio de Vivienda en el BOE nº 74 de

28/3/2006. Aparece el texto refundido con modificación de errores del RD 1371/2007 de 19 de octubre y corrección de errores del 25 de enero de 2008.

Normativa de edificación en los edificios. CTE, RITE y certificación

El objetivo del CTE, tal como indica en su artículo 1, es el marco normativo por el que se regulan las exigencias básicas de calidad que deben cumplir los edificios, incluidas sus instalaciones, para satisfacer los requisitos básicos de seguridad y habitabilidad. La demanda de una mayor calidad de la edificación responde a una concepción más exigente de lo que implica la calidad de vida para todos los ciudadanos en lo referente al uso del medio construido. Responde también a una nueva exigencia de sostenibilidad de los procesos edificatorios y urbanizadores, en su triple dimensión ambiental, social y económica. Implican un compromiso de funcionalidad, economía, armonía y equilibrio medioambiental. Esta nueva normativa contribuye al desarrollo de las políticas del Gobierno de España en materia de sostenibilidad, en particular del Plan de Acción de la Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética, y se convierte en instrumento de compromisos de largo alcance del Gobierno en materia medioambiental, como son el Protocolo de Kyoto o la Estrategia de Göteborg. El CTE crea un marco normativo homologable al existente en los países más avanzados y armoniza la reglamentación nacional existente en la edificación con las disposiciones de la Unión Europea vigentes en esta materia. En primer lugar, con las relativas a la libre circulación de productos de construcción dentro del mercado único europeo y, principalmente, con la Directiva 89/106/CEE del Consejo. Tiene en cuenta la Directiva 2002/91/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de diciembre, relativa a la eficiencia energética de los edificios, en virtud de la cual se han incorporado al CTE las exigencias relativas a los requisitos de eficiencia energética de los edificios, que se establecen en los artículos 4, 5 y 6 de esta Directiva. El CTE se alinea con el denominado “enfoque basado en prestaciones”, propugnado por las principales organizaciones internacionales relacionadas con códigos de edificación, tales como el Consejo Internacional de la Edificación, o el Comité Interjurisdiccional de Colaboración Reglamentaria. Este enfoque, entre otras ventajas, permite la apertura del sector a mercados cada día

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más globales de productos de construcción y de los profesionales del sector. El CTE, como indica en su artículo 3, se divide en dos partes, ambas de carácter reglamentario. En la primera contiene las disposiciones de carácter general (ámbito de aplicación, estructura, clasificación de usos, etc.) y las exigencias que deben cumplir los edificios para satisfacer los requisitos de seguridad y habitabilidad de la edificación. La segunda parte está constituida por los Documentos Básicos, denominados DB, cuya adecuada utilización garantiza el cumplimiento de las exigencias básicas. Estos contienen procedimientos, reglas técnicas y ejemplos de soluciones que permiten determinar si el edificio cumple con los niveles de prestación establecidos. Sin embargo, si bien en algunos casos se presentan con mucho detalle, en otros son fuente de controversia y dificultad de entendimiento o seguimiento. Como complemento, para la aplicación del Código, se crean los Documentos Reconocidos, que son documentos técnicos externos e independientes del Código, cuya utilización facilita el cumplimiento de determinadas exigencias y contribuyen al fomento de la calidad de la edificación. El CTE se desarrolla a lo largo de quince artículos, de los que se hará mención de los aspectos más relevantes de algunos de ellos, en especial el artículo 15, que se centra en aspectos energéticos. Finaliza con tres Anejos, sobre el contenido del proyecto, su seguimiento en la obra, y a la terminología. Debe destacarse del capítulo 3, desde el artículo 9 al 15, donde se exponen las exigencias básicas de: • •

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Seguridad estructural (SE): resistencia y estabilidad, aptitud al servicio. Seguridad en caso de incendio (SI): propagación interior, exterior, evacuación de ocupantes, instalaciones de protección contra incendios, intervención de bomberos, resistencia estructural al incendio. Seguridad de utilización (SU): seguridad frente al riesgo de caídas, de impacto o de atrapamiento, aprisionamiento, causado por iluminación inadecuada, situaciones con alta ocupación, de ahogamiento, por vehículos en movimiento, acción del rayo.

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Exigencia básica de salubridad (HS): protección frente a la humedad, recogida y evacuación de residuos, calidad del aire interior, suministro de agua, evacuación de aguas. Exigencias básicas de protección frente al ruido (HR). Exigencias básicas de ahorro de energía (HE): limitación de la demanda energética, rendimiento de las instalaciones térmicas, eficiencia energética de las instalaciones de iluminación, contribución solar mínima de agua caliente sanitaria, contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica.

La última, Documento Básico “Ahorro de energía”, DB-HE, tiene por objetivo el uso racional de la energía necesaria para la utilización de los edificios. Se indica el límite, sostenible, del consumo de energía y determina asimismo que una parte de este consumo proceda de fuentes de energía renovable, como consecuencia de las características del proyecto, construcción, uso y mantenimiento. A su vez este DB se desarrolla a través de las exigencias básicas: •

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Exigencia básica HE 1: limitación de demanda energética. En la que se indica que los edificios dispondrán de una envolvente de características tales que limite adecuadamente la demanda energética necesaria para alcanzar el bienestar térmico en función del clima de la localidad, del uso del edificio y del régimen de verano y de invierno, así como por sus características de aislamiento e inercia, permeabilidad al aire y exposición a la radiación solar, reduciendo el riesgo de aparición de humedades de condensación superficiales e intersticiales que puedan perjudicar sus características y tratando adecuadamente los puentes térmicos para limitar las pérdidas o ganancias de calor y evitar problemas higrotérmicos en los mismos. Exigencia básica HE 2: rendimiento de las instalaciones térmicas. Este indica que los edificios dispondrán de instalaciones térmicas apropiadas destinadas a proporcionar el bienestar térmico de sus ocupantes, regulando el rendimiento de las mismas y de sus equipos. Esta exigencia se desarro-

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lla actualmente en el vigente Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, RITE, y su aplicación quedará definida en el proyecto del edificio. Exigencia básica HE 3: eficiencia energética de las instalaciones de iluminación. Los edificios dispondrán de instalaciones de iluminación adecuadas a las necesidades de sus usuarios y a la vez eficaces energéticamente, disponiendo de un sistema de control que permita ajustar el encendido a la ocupación real de la zona, así como de un sistema de regulación que optimice el aprovechamiento de la luz natural, en las zonas que reúnan unas determinadas condiciones. Exigencia básica HE 4: contribución solar mínima de agua caliente sanitaria. Se determina que en los edificios con demanda de agua caliente sanitaria o de climatización de piscina, una parte de las necesidades energéticas térmicas derivadas de esa demanda se cubrirá mediante la incorporación en los mismos de sistemas de captación, almacenamiento y utilización de energía solar de baja temperatura adecuada a la radiación solar global de su emplazamiento y a la demanda de agua caliente del edificio. Los valores derivados de esta exigencia básica tendrán la consideración de mínimos, sin perjuicio de valores que puedan establecerse por las administraciones competentes y que contribuyan a la sostenibilidad, atendiendo a las características propias de su localización y ámbito territorial. Exigencia básica HE 5: contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica. Se incorporarán sistemas de captación y transformación de energía solar en energía eléctrica por procedimientos fotovoltaicos para uso propio o suministro a la red en los edificios que establece el CTE. Los valores derivados de esta exigencia básica tendrán la consideración de mínimos, las administraciones de las Comunidades Autónomas pueden establecer valores más estrictos que contribuyan a la sostenibilidad, atendiendo a las características propias de su localización y ámbito territorial.


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@ ; $ ^@;$_ El Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), establece las condiciones que deben cumplir las instalaciones destinadas a atender la demanda de bienestar térmico e higiene a través de las instalaciones de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria, para conseguir un uso racional de la energía. El Consejo de Ministros del 20 de julio de 2007 aprobó el nuevo texto revisado del RITE que derogaba el anterior. En su Disposición final cuarta indicaba su entrada en vigor a los seis meses de su publicación. Este Real Decreto ha sido elaborado conjuntamente por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio y el Ministerio de Vivienda. Las mayores exigencias en eficiencia energética que establece el RITE se concretan en: •

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Mayor rendimiento energético en los equipos de generación de calor y frío, así como los destinados al movimiento y transporte de fluidos. Mejor aislamiento en los equipos y conducciones de los fluidos térmicos. Mejor regulación y control para mantener las condiciones de diseño previstas en los locales climatizados. Utilización de energías renovables disponibles, en especial la energía solar y la biomasa. Incorporación de subsistemas de recuperación de energía y el aprovechamiento de energías residuales. Sistemas obligatorios de contabilización de consumos en el caso de instalaciones colectivas. Desaparición gradual de combustibles sólidos más contaminantes. Desaparición gradual de equipos generadores menos eficientes.

Con el fin de facilitar el cumplimiento de las exigencias del RITE se crean los denominados documentos reconocidos, que se definen como documentos técnicos sin carácter reglamentario, pero que cuentan con el reconocimiento conjun-

to del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio y el Ministerio de Vivienda. De acuerdo con el artículo 7 del RITE se crea un registro general de documentos reconocidos del RITE, adscrito a la Secretaría General de Energía del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. El RITE, además, impone la obligación de revisar y actualizar periódicamente, al menos cada cinco años, las exigencias de eficiencia energética. Es esta una tarea que compete a la Comisión Asesora del RITE, encargada de realizar las propuestas conforme a la evolución de la técnica y la política energética nacional. Este Real Decreto tiene el carácter de reglamentación básica del Estado. Para su aplicación se deberá desarrollar por las comunidades autónomas la reglamentación complementaria correspondiente. Esto quiere decir que las comunidades autónomas podrán introducir requisitos adicionales sobre las mismas materias cuando se trate de instalaciones radicadas en su territorio. El RITE consta de dos partes. La primera, de disposiciones generales desarrolladas a lo largo de diez capítulos, que contiene un total de 47 artículos. La segunda parte corresponde a las instrucciones técnicas (IT), agrupadas en torno a cuatro apartados: • • • •

IT 1. Diseño y dimensionado. IT 2. Montaje. IT 3. Mantenimiento y uso. IT 4. Inspección.

Sin embargo hay que hacer hincapié en que la mayoría de las IT hacen referencia directa o indirectamente a distintos aspectos energéticos: ventilación, calentamiento, refrigeración, humidificación, generadores de calor y frío, bombas y ventiladores, instalaciones térmicas y frigoríficas, recuperación, eficiencia, energías renovables, ahorro en piscinas, limitación de la energía convencional, etc. La importancia del RITE ha dado lugar a que en la actualidad ya haya publicados libros exclusivos sobre el RITE y se impartan también cursos específicos. La Junta de Castilla y León ha publicado

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un manual de 600 páginas donde se recoge el RITE comentado, así como distinta documentación sobre el Reglamento. Sin embargo la ambigüedad del nuevo RITE ha llevado a debate diversos problemas, como el de la responsabilidad del “director de

instalación”. Recientemente en febrero de 2008, en el Colegio de Aparejadores y Arquitectos Técnicos de Madrid, se expusieron algunos puntos polémicos del RITE, como el de los responsables de la ejecución de las instalaciones y pruebas finales.

El CTE, la Certificación Energética de los Edificios, y el nuevo RITE son novedades legislativas resultado de la transposición de la directiva europea sobre eficiencia energética en edificios 2002/91CE (o Energy Performance Building Directive, EPBD). Esta establece el marco de actuación en eficiencia energética en edificios de nueva construcción y grandes rehabilitaciones. La Certificación Energética de los Edificios, RD 47/2007, aprobado en enero de 2007 y con entrada en vigor en octubre, regula en el estado español el procedimiento básico que debe cumplir la metodología de cálculo de la calificación y certificación de la eficiencia energética de los edificios. Cada comunidad autónoma es el órgano competente de gestionar el proceso y el registro de las certificaciones. El objetivo final de este RD es que todo usuario disponga de la información suficiente para comparar y evaluar la eficiencia energética de cualquier edificio antes de comprarlo o alquilarlo. El certificado de eficiencia energética, mediante una etiqueta (Figura 34.1), asigna a cada edificio una categoría energética de eficiencia (similar a la de los electrodomésticos) que varía desde la A, para los edificios más eficientes, hasta la G, para los menos eficientes (anexos I y II del RD 47/2007). Este RD no establece la obligatoriedad de obtener una categoría, ya que se limita a comunicar e informar de las características energéticas del edificio. Esta etiqueta se deberá incluir en cualquier oferta, promoción y/o publicidad del edificio destinado a la venta o alquiler. En los edificios ocupados por organismos públicos deberán mostrar la etiqueta en un lugar visible. Los edificios afectados por el procedimiento de certificación son: los de nueva construcción y las modificaciones, reformas o rehabilitaciones de edificios existentes con una superficie útil superior a los 1.000 m2, o que se renueve más del

25% del total de sus cerramientos. Los edificios no afectados son: edificios abiertos, edificios y monumentos protegidos, lugares religiosos y de culto, construcciones provisionales (inferior a dos años), edificios industriales y agrícolas, edificios aislados (inferiores a 50 m2), edificios de escasa entidad constructiva.

Figura 34.1. Etiqueta de calificación de eficiencia energética de un edificio en fase de proyecto o de edificio terminado.

Para obtener el certificado de la calificación energética del edificio se debe haber realizado antes la del proyecto. Esta la puede firmar el proyectista del edificio o el de las instalaciones térmicas. La certificación de eficiencia energética del edificio terminado verifica la conformidad de la calificación de eficiencia energética del proyecto con la del edificio terminado y conduce a la expedición


del certificado de eficiencia energética del edificio concluido. Si la calificación del edificio terminado no equivale a la de la fase del proyecto, se modificará la calificación del proyecto. La puede firmar el director facultativo de la obra. Actualmente existen dos documentos reconocidos de referencia que dan respuesta a las dos opciones de calificación posibles: la opción general y la opción simplificada.

OPCIÓN GENERAL Es aquella que se realiza mediante un programa informático de simulación térmica que esté considerada como documento reconocido, y que calcula de manera horaria el consumo energético del edificio. Este sistema permite obtener la calificación de la A a la G. La única herramienta de referencia hoy en día es el CALENER, programa gratuito desarrollado por el Departamento de Termotecnia de la Universidad de Ingenieros Industriales de Sevilla, por orden del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio a través del IDAE y la Dirección General de Arquitectura y Política de la Vivienda del Ministerio de la Vivienda. De este programa existen dos versiones, el que se aplica a edificios de viviendas pequeñas y medianas terciarias, el CALENER VYP, y el que va dirigido a grandes edificios, CALENER GT. Estos programas necesitan previamente del programa LIDER, que permite configurar la geometría y características de sus elementos, básicamente en su aspecto térmico, y evaluar la demanda

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energética, los valores mínimos en condensaciones superficiales y el comportamiento higrotérmico de los cerramientos.

OPCIÓN SIMPLIFICADA Esta opción está reconocida en el documento Opción simplificada para la calificación de eficiencia energética de edificios de viviendas. Es un método de carácter prescriptivo que afecta tanto a la envolvente del edificio como a los sistemas de calefacción, refrigeración, ACS e iluminación. Se obtiene la calificación de eficiencia energética del edificio mediante unas tablas. El método solo puede aplicarse a edificios de viviendas y permite obtener como máximo la calificación D. De hecho el cumplimiento estricto del CTE (DB HE-1, 2 y 4) garantiza la calificación E. Esta opción de muy fácil utilización, permite calificar el edificio de una manera rápida pero poco precisa y ambiciosa. No hay que olvidar que aún no se ha producido la transposición total de la Directiva 2002/91/CE, ya que la obligación de obtener también un certificado de eficiencia energética en cualquier transacción inmobiliaria de edificios existentes no tendrá lugar antes del 4 de enero de 2009. Debe comentarse que la certificación de eficiencia energética de edificios solo hace referencia al consumo energético durante la vida útil del edificio, no se trata pues de un indicador de la sostenibilidad energética y no evalúa el impacto energético en la fabricación de los materiales, consumo durante la construcción ni en su derribo.

La protección térmica en varios países de Europa El presente apartado expone una comparación de las exigencias mínimas de protección térmica de los edificios, basándose en los valores máximos de la transmisión térmica exigidos en los diversos tipos de cerramientos de edificios, indicados en las respectivas disposiciones legales de España, Francia, Portugal e Italia. En particular se compara: • • • •

CTE HE 1 (marzo 2006) de España. RTE 2005 de Francia. Decreto lei nº 80/2006 de Portugal. Decreto legislativo nº 192 de 18 agosto 2005 modificado de Italia.

Con objeto de establecer unas condiciones climáticas exteriores lo más exactamente iguales, se ha limitado solo al ciclo climático de invierno, pues para esta comparación se buscan las condiciones climáticas exteriores lo más parecidas posible, dado el distinto carácter de las distintas legislaciones. Muros

Cualquiera que sea la zona climática, los valores de la transmitancia térmica U máximos de la normativa española son considerablemente supe-

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riores (representan menor protección térmica) que los de cualquiera de las reglamentaciones de los otros países, referido siempre a condiciones climáticas similares. Las diferencias son muy importantes, ya que oscilan desde un 20% hasta un 65%, referido solo al año 2006. Si se consideran algunos valores de los previstos en Italia para 2010, alcanzarían diferencias del 90%. Si se compara la recomendación de la media europea con la media ponderada española, los valores alcanzan el 50%. Como ya han comentado algunas voces, ANDIMA (Asociación Nacional de Industrias de Materiales Aislantes), el nivel de protección previsto en el nuevo CTE HE1 español no es suficiente, y es difícil asemejar a España con los países de nuestro entorno. Cubiertas

Cualquiera que sea la zona climática elegida, los valores de U máximos de la normativa española son iguales o ligeramente superiores que los de cualquiera de las reglamentaciones de los otros países, referidos siempre a condiciones climáticas similares. Las diferencias son bastante menos acusadas que en los muros, pero también importantes, ya que oscilan entre un 12% y un 43%, referido

solo al año 2006. Si se consideran los valores previstos en Italia para 2010, la deferencia alcanzaría el 65%. Si se atiende a la recomendación de la media europea, y se compara con la media ponderada española, la diferencia de valores alcanza el 16%. Suelos

De nuevo los valores de transmisión térmica máximos de la normativa española son ligeramente superiores que los de cualquiera de las reglamentaciones de los otros países, referido siempre a condiciones climáticas similares. Huecos acristalados

También los valores de transmisión térmica máximos de la normativa española son superiores. Las diferencias son acusadas, entre el 9% y el 38%. En comparación a Italia a 2010 se alcanza el 50%. Respecto a la media europea, es de un 33% respecto a la media ponderada española. Estos menores aislamientos de la reglamentación española llevan a que los estudios de rentabilidad económica y la reducción de las emisiones de CO2 en los edificios sean peores con la legislación española que con la de los otros países.

Comparación de viviendas construidas según el CTE y con aislamiento optimizado Con el afán de disminuir el consumo energético de las viviendas se ha realizado un proyecto, a escala real, a título de experimento, consistente en confrontar viviendas pareadas de bajo consumo energético con otras viviendas de idénticas características construidas con el vigente CTE HE1. El objetivo básico del experimento es mostrar que alcanzar un confort térmico en una vivienda es fácil, económico y accesible. Inicialmente el estudio se había realizado a modo de simulación comparando dos escenarios, uno de requisitos mínimos definidos por las transmitancias indicadas en el proyecto siguiendo el CTE HE1, y otro definido por el espesor matemáticamente óptimo en función de cada zona climática. El aumento de espesor para alcanzar el óptimo de aislamiento para cada caso considerado refleja-

ba únicamente el grosor del aislamiento que hace que la función “beneficio económico” sea máxima, independientemente del periodo de amortización de la inversión inicial. Se consideró un precio de aislamiento del orden de 36 €/m3 y un incremento anual de la energía exageradamente moderado del 1,5%. El resultado del estudio mostró el potencial ahorro de 88.000 GWh en toda España y en el periodo de vida del edificio de 45 años. También implicaba una reducción de emisiones de CO2, para el mismo periodo, estimado en 17 M t. El estudio extensivo a todas las zonas puso de manifiesto que, aplicando espesores matemáticamente óptimos, se pueden alcanzar ahorros de energía que van del 14% en una zona A4 al 34% en una zona C1.


Para validar los resultados se decidió realizar el mismo experimento a escala real. Se construyeron un grupo de ocho viviendas de idénticas características constructivas (Figura 34.2). En dos de ellas se les aplicó el espesor obtenido de cuerdo con el CTE, a otras dos el espesor matemáticamente óptimo (denominado proyecto CTE plus) y al resto siguiendo la normativa en vigor en el momento del inicio de los trabajos, es decir, la NBE CT 79. La obra está situada en el municipio de Catarroso, en la Comunidad Foral de Navarra.

Figura 34.2. Viviendas iguales pero con distinto aislante con las que se realizó una comparación real del consumo energético según su nivel de aislamiento.

Los dos tipos de viviendas se diferencian en el espesor de algunos elementos: •

•

•

589

El aislamiento del forjado del techo de la planta baja (en la que está el parking) pasa de 4 cm a 11 cm, de nuevo el resto está constituido de los mismos elementos. El aislamiento de las fachadas pasa de de 6 cm a 15 cm, con distinto tipo de aislamiento (Figura 34.3) y además hay una cámara de aire de 1cm que no está en la casa normal. El resto es igual.

Las viviendas no cuentan con ningún tipo de automatismo domótico para graduar la temperatura de calefacción en invierno. La calefacción se realiza mediante un sistema de caldera mixta de gas natural y radiadores de agua caliente. El análisis de los consumos energéticos se ha realizado mediante el programa de simulación TRNSYS, programa de simulación dinámica que se caracteriza por su potencia de cálculo y flexibilidad de adaptación. La demanda de calefacción, al pasar de la vivienda con estándares CTE a la de espesor óptimo, se ha reducido en casi un millar de kWh por vivienda y año (pasa de 3.460 a 2.478 kWh). El consumo real derivado de la calefacción pasa de 3.845 kWh anuales a 2.753 kWh, lo que representa una reducción de 1.092 kWh, esto es, un 28,4%. Estos últimos valores equivalen a un valor de 36,03 kWh/m2 año a 25,80 kWh/m2 año. La demanda de refrigeración resulta poco significativa, comportándose algo peor la vivienda con el espesor óptimo pero en cantidades pequeñas, unos 35 kWh año, al pasar la demanda de 292 kWh por año a 327.

El forjado de techo de la segunda planta, bajo teja, que pasa de 8 cm a 18 cm, los demás elementos son iguales.

Figura 34.3. Aislamiento de la fachada de la vivienda de proyecto CTE plus, con aislamiento optimizado, y la que cumple con el reglamento CTE HE1.

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V ENERGÍAS RENOVABLES

A pesar de que España aparece entre los tres primeros países productores de electricidad a parir de fuentes de energía renovable, la política de programación energética oficial, un tanto errática, de las sucesivas administraciones no acaban de impulsar el uso masivo de las mismas. En la España de la primera década del siglo XXI aparecen varios factores amenazantes para el desarrollo económico que deberían hacer imprescindible la potenciación de las EE RR. La primera es la falta de recursos energéticos del estado español y el empleo de un mix de generación de electricidad insostenible. La segunda es que España es el país de la UE que más incumple el Protocolo de Kyoto. La tercera es que España posee unas características geográficas y climáticas que la hace idónea para el empleo de las EE RR y, finalmente, las EE RR deberían verse como una solución tecnológica que haga aumentar el PIB nacional, genere empleo de calidad y solucione el déficit energético. Este apartado pasa revista a las posibilidades reales que ofrecen las EE RR en España. Los Capítulos 35 y 36 están dirigidos a la energía eléctrica termosolar, fundamental en un país soleado como España, en particular el sur. El Capítulo 37 se dedica a la energía eléctrica procedente del viento. Aunque España ocupe el segundo lugar en el ranking mundial, todavía dispone de muchos recursos, en especial en el litoral marino, circunstancia que debería crear una sinergia con la producción de microalgas para la obtención de biocarburantes. La hidroeléctrica tiene un margen limitado, sin embargo la tecnología de nuevas turbinas abre nuevas posibilidades. Otras energías como la geotérmica, sin explotar, y la oceánica en sus numerosas posibilidades albergan grandes esperanzas. Esta Parte demuestra que es factible cubrir, con creces (si bien también con carencias), la demanda de energía eléctrica del país con solo las EE RR. A título de epílogo hay que recordar que, en 2009, las EE RR consiguieron puntas de generación del 50% de la energía eléctrica en la península.

Índice V: ENERGÍAS RENOVABLES 35. Definición y expectativas de las diversas fuentes de energía renovables ......................................................... 595 • Introducción ............................................................... 596 36. La radiación solar .......................................................... 599 • Introducción ............................................................... 600 • El mapa de radiación solar en España ........................ 604 • Uso de la energía solar pasiva .................................... 606 • Calentamiento del agua para usos domésticos ........... 608 • Refrigeración solar ..................................................... 612 • Centrales termosolares ............................................... 615 • Chimeneas solares ..................................................... 627 • Energía fotovoltaica ................................................... 630 37. La energía del viento...................................................... 651 • Introducción ............................................................... 652 • El viento en tierra ....................................................... 657 • El viento en el mar ..................................................... 660 • Posibilidad de desarrollo de la energía eólica en España ................................................................... 665 • Otras opciones y avances de la energía eólica ........... 667 • La energía eólica y los ceros eléctricos ...................... 671 38. La energía geotérmica.................................................... 673 • Introducción ............................................................... 674 • Tecnologías actuales para la producción de electricidad de origen geotérmico .............................. 677 • Tecnologías futuras para el aprovechamiento geotérmico .................................................................. 678 • Potencial de aprovechamiento de la energía geotérmica .................................................................. 679 • Aplicación doméstica de la energía geotérmica ......... 680 39. La energía hidráulica ..................................................... 683 • Introducción ............................................................... 684 • Estimación de los recursos hidráulicos ...................... 684

• • • • • •

Tipos de centrales hidroeléctricas .............................. 685 El parque hidráulico español ...................................... 687 Tipos de centrales ....................................................... 688 Centrales reversibles .................................................. 690 Energía minihidráulica ............................................... 691 Ventajas y desventajas de las centrales hidráulicas .... 692

40. La energía del océano .................................................... 693 • Introducción ............................................................... 694 • La energía de las mareas ............................................ 695 • La energía de las olas ................................................. 698 • La energía de las corrientes marinas .......................... 707 • La energía oceánica por diferencia de profundidades ............................................................. 710 • La energía del gradiente salino................................... 712 • Potencialidad de la energía oceánica.......................... 714 41. Potencial ubicación y calendario de implantación de las EE RR en España................................................. 717 • Introducción ............................................................... 718 • Parámetros relacionados con el fomento de las EE RR .............................................................. 720 • Tiempo estimado para el cambio de modelo energético ................................................................... 723 42. La producción de hidrógeno con EE RR ....................... 729 • Introducción ............................................................... 730 • Producción de hidrógeno con energía solar ............... 730 • Producción de hidrógeno mediante electrólisis con electricidad renovable ................................................ 733 • Bioenergía .................................................................. 734 • Otros recursos naturales ............................................. 736

BIBLIOGRAFÍA. PARTE V................................................ 737

` de las diversas fuentes de energía renovables

35

LAS EE RR REPRESENTAN LA ÚNICA ESPERANZA PARA MANTENER EL CONFORT ACTUAL •

•

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• •

Las necesidades de energía han estado condicionadas hasta ahora, y seguirán estándolo en el futuro, por tres factores principales: el crecimiento de la población, el desarrollo económico y el progreso tecnológico. Según el acuerdo fijado por la UE en 2008, para 2020, el 20% de la energía primaria de la UE debe proceder de EE RR. En 2008 España generaba un 8,7% y se le ha asignado una cuota del 20%. El incremento es diferente para cada país (Suecia ha de llegar al 48%, pero Bélgica o Gran Bretaña han de alcanzar el 10%). La Agencia Internacional de la Energía indica que únicamente el 1% del consumo energético mundial está cubierto por fuentes renovables y las perspectivas de 2030 en su escenario base apenas varia de esta realidad. En el caso español, que ya producía el 8,7% de la energía primaria en 2007 a base de EE RR, no ha de suponer gran esfuerzo alcanzar el 20% para 2020. El PER (2005-2010) prevé una contribución del 12,1% de EE RR en términos de energía primaria en 2010. Es de destacar el papel y contribución de la energía eólica, ya que se prevé, en esta fecha, alcanzar los 20.000 MW (2,3 veces el parque nuclear) de potencia instalada. A finales de 2007, la potencia eléctrica instalada eólica suponía el 21% del total español. En términos de energía generada y suponiendo una efectividad media del viento del 30%, para lograr el 21% de la energía generada, la potencia eólica instalada debería ser de 45.000 MW. Las energías renovables son sostenibles. Si se toman las debidas precauciones, todas las energías renovables son limpias. El coste suplementario anual medio necesario para alcanzar el objetivo del 20% de la energía primaria a base de EE RR, se estima entre 10.000 y 18.000 millones de euros, en función de los precios de la energía y de los esfuerzos de investigación realizados. En España, si la potencia instalada en energía eólica superó en 2005 a la energía nuclear, ¿por qué no se puede suponer que sucederá lo mismo con la energía eléctrica termosolar? La promoción de las energías renovables lleva parejo un incremento considerable de la tecnología y de puestos de trabajo.

596


Introducción La energía renovable podría definirse como aquella que no consume recursos y además no contamina (en el sentido clásico de la palabra), es decir, que se trata de unas fuentes de suministro que pueden hacer de la energía un elemento sostenible. A finales de 2008, la Unión Europea (UE 27) llegó al acuerdo de que los países miembros han de aportar, en 2020, el 20% de la energía primaria en forma de EE RR, cuando a 2008 esta representaba el 8,7%. Los 27 tendrán una meta común global (20%), pero fija objetivos diferenciados. Así Suecia deberá alcanzar el 49% y Austria el 35%, mientras que para España se fija un 20%, lo que supone un incremento del 230% respecto lo que aportaba en 2008. En la Unión Europea, y en España en particular, la eficiencia energética y las fuentes de energías renovables son dos elementos estratégicos de las políticas energética y medioambiental. Así lo demuestran las cada vez mayores evidencias de la injerencia humana en el sistema climático, en gran medida debido al consumo de combustibles fósiles, y la dependencia energética exterior, que en el caso de España llega a un alarmante 80% de importaciones. Adicionalmente, se prevé que tenga lugar en este siglo el agotamiento de recursos como el gas y el petróleo. Esto viene provocando un incremento acusado del petróleo con precios fluctuando alrededor de los 100 dólares el barril, razón por la cual las energías renovables son un activo preciado y constituyen un elemento cada vez más importante de la política energética de los países miembros de la UE. La política llevada a cabo en España durante el último cuarto de siglo ha situado al país en una posición líder en el mundo en potencia eólica instalada (segundo país productor de energía eólica y capacidad instalada, solo detrás de Alemania), lo que ha promovido la creación de un nutrido tejido industrial en áreas como la eólica, la fotovoltaica o los biocarburantes, y está dando lugar al despegue de otras como la solar térmica de baja temperatura o la solar termoeléctrica. El Plan de Energías Renovables en España (PER) 2005-2010, aprobado en el verano de 2005,

prevé una contribución de las fuentes renovables del 12,1% en términos de consumo de energía primaria en el año 2010, una producción eléctrica con este tipo de energías del 20% del consumo bruto de electricidad, y una aportación de biocarburantes del 5,83% al consumo de gasolina y gasóleo previsto para el transporte en ese mismo año. Destaca la importante contribución prevista de la energía eólica, que eleva hasta alrededor de 20.000 MW el objetivo de potencia instalada en 2010, la de los biocarburantes, para los que se espera un consumo en ese año de 2,2 millones de tep y la de la biomasa para generación de electricidad, con un objetivo de potencia instalada, incluyendo cocombustión, del orden de 2.000 MW. Para dar una idea de la magnitud de estas cifras basta con recordar que a finales de 2007 la potencia eléctrica total instalada en España era de 93.000 MW, lo que significa que la potencia eólica en 2010 rebasará el 20%. Las necesidades de energía han estado condicionadas hasta ahora, y seguirán estándolo en el futuro, por tres factores principales: el crecimiento de la población, el desarrollo económico y el progreso tecnológico. Asimismo, la utilización de las energías fósiles en los últimos decenios ha ido generando una serie de problemas ambientales (recalentamiento atmosférico, lluvia ácida, etc.), que amenazan con alterar el equilibrio ecológico y el bienestar social. Esta preocupación creciente, junto con la perspectiva de un periodo limitado de las reservas de energías fósiles, y una potencial inestabilidad en el abastecimiento seguro y continuado por parte de los países productores, ha hecho prosperar el convencimiento de que en el futuro serán cada vez más importantes, y estarán más ampliamente extendidas, las denominadas “energías renovables” compatibles con un crecimiento económico sostenible. Algunas fuentes de energía renovable han constituido una parte importante de la energía utilizada por la humanidad desde tiempos remotos, especialmente la biomasa, la solar, la eólica y la hidráulica. La navegación a vela, los molinos de viento o de agua y las disposiciones constructivas

Definición y espectativas de las diversas fuentes de energía renovables

597

Figura 35.1. EE RR en España en 2005 (valor porcentual).

de los edificios para aprovechar la energía del sol, son algunos ejemplos de ello. La máquina de vapor provocó el gradual abandono de estas formas de aprovechamiento por considerarse inestables en el tiempo y caprichosas, llegando a utilizarse cada vez más los motores térmicos y eléctricos, en una época en que el todavía relativamente escaso consumo no hacía prever un agotamiento de las fuentes ni otros problemas ambientales que más tarde se presentaron. Por la década de 1970 las energías renovables se consideraron una alternativa a las energías tradicionales, tanto por su disponibilidad presente y futuro garantizado (a diferencia de los combustibles fósiles que precisan miles de años para su formación) como por su menor impacto ambiental en el caso de las energías limpias, y por esta razón fueron llamadas energías alternativas. En España las energías renovables supusieron, en el año 2005, un 5,9% del total de energía primaria, con la distribución que se indica en la Figura 35.1. La cifra representa 8,5 millones de tep (consumo de energía primaria en España enel año 2005 fue de 145 millones de tep; 1 tep = 11,628 MWh). Por lo que concierne a la hidroeléctrica, se refiere a centrales de potencia inferior a 10 MW, las denominadas minicentrales. Las fuentes renovables de energía pueden dividirse en dos categorías: no contaminantes o limpias y potencialmente contaminantes. Entre las primeras se pueden citar: •

El Sol: energía solar (térmica y termoeléctrica).

• • • • •

El viento: energía eólica. Los ríos y corrientes de agua dulce: energía hidráulica. Los mares y océanos: energía maremotriz. El calor de la Tierra: energía geotérmica. Las olas: energía oleomotriz.

Las fuentes de energía contaminantes se obtienen a partir de la materia orgánica o biomasa que se pueden utilizar directamente como combustible (madera u otra materia orgánica sólida) o bien convertida en bioetanol y biogás mediante procesos de fermentación orgánica, o en biodiesel, mediante reacciones de transesterificación. Las energías de fuentes renovables potencialmente contaminantes se encuadran dentro de las energías renovables porque el dióxido de carbono emitido ha sido previamente absorbido al transformarse en materia orgánica mediante fotosíntesis. También se puede obtener energía a partir de los residuos sólidos urbanos, fangos de depuradora, etc. Se añade el término potencialmente contaminante ya que al desarrollar energía por medio de la combustión se emiten una serie de contaminantes, básicamente material particulado e inquemados. Si este proceso no se lleva a cabo en un medio tecnológicamente avanzado (por ejemplo, un lecho fluidizado) y no se depuran los gases, el resultado es una emisión contaminante. De ahí el adjetivo “potencialmente contaminante”. Las emisiones de gases de efecto invernadero a partir de fuentes de energía renovables son nulas o muy bajas. El aumento de la aportación de las energías renovables en el total de los combustibles

598


disponibles podrá reducir significativamente las emisiones de gas de efecto invernadero de la UE siendo el objetivo alcanzar un 20% que permitirá reducir las emisiones anuales de CO2 entre 600 y 900 millones de toneladas, lo que representa entre 150.000 y 200.000 millones de euros de ahorro si el precio de la tonelada de CO2 se estima en 25 euros. Por otra parte, el desarrollo de fuentes de energías alternativas a las energías fósiles contribuye a garantizar la seguridad del abastecimiento energético de la UE y a reducir la factura energética vinculada al aumento de los precios de las energías fósiles. Así pues, si la UE consigue alcanzar el objetivo del 20% en 2020, el ahorro anual podría ascender a más de 250 Mtep (millones de toneladas equivalentes de petróleo) en 2020, de los que alrededor de 200 Mtep corresponderían a las importaciones. Además, el desarrollo de las tecnologías utilizadas en el sector de las energías renovables abrirá nuevas perspectivas comerciales, sobre todo en materia de exportación de tales tecnologías. También se prevén repercusiones positivas en materia de empleo cualificado y crecimiento del PIB.

El coste de las energías renovables ha disminuido de manera constante desde hace veinte años. Sin embargo, el coste de la mayoría de ellas continúa siendo más elevado que el de las energías clásicas, sobre todo porque no se integran los costes externos de las energías fósiles. El coste suplementario anual medio necesario para alcanzar el objetivo del 20% de la energía primaria se estima entre 10.000 y 18.000 millones de euros, en función de los precios de la energía y de los esfuerzos de investigación realizados. El gobierno británico ha anunciado, a medianos de 2008, la construcción de más de 7.000 generadores eólicos en el mar y 3.500 en tierra, por un importe superior a los 125.000 millones de euros que cargará a la factura de los contribuyentes. El objetivo es compensar el agotamiento de los yacimientos de crudo del mar del Norte, la reducción en un 7% de la dependencia del petróleo y la disminución de un 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero. El gobierno calcula que se crearán 160.000 nuevos puestos de trabajo, por ello se ha calificado al proyecto de “revolución verde”.

La radiación solar

36

ESPAÑA ES UN PAÍS PRIVILEGIADO PARA APROVECHAR LA ENERGÍA RADIANTE DEL SOL •

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La elevada temperatura que se obtiene en los concentradores de la radiación solar permite alcanzar un rendimiento eléctrico muy alto. De esta manera las aplicaciones derivadas de la energía solar térmica y la termosolar son las EE RR más prometedoras en España. El valor medio de la energía proporcionada por la radiación solar, en nuestra latitud, es del orden de 4,8 kWh/m2 por día. En la mayor parte de España este valor unido a las horas de insolación, proporciona un potencial energético inmenso. Destinando una mínima parte de la superficie de España (terrenos soleados e improductivos), del orden del 1,5% de la superficie (véase Tabla 36.1), a instalar centrales termosolares de alta eficiencia se produciría más energía eléctrica de la que consume el país. Para ello es preciso optimizar las actuales tecnologías. El calentamiento de agua para uso doméstico (calefacción y agua caliente sanitaria) son aplicaciones contrastadas y de fácil instalación. La calefacción representa el 46% del consumo térmico de la vivienda. Con un urbanismo planificado y una edificación adecuada, la actual tecnología de paneles térmicos solares bastaría para subvenir las necesidades energéticas. La iluminación solar directa transmitida (véase Figura 36.3) permite la iluminación de espacios interiores con la misma calidad que la luz directa o la iluminación artificial. En España la generación de frío (aire acondicionado) a partir de sistemas de captación solar constituirá una opción con gran futuro. Desde 2006 los picos de consumo eléctrico en España tienen lugar en verano. La tecnología de sales fundidas o, simplemente, agua permite almacenar calor para más tarde convertirlo en frío mediante plantas de oabsorción. La generación eléctrica del futuro, en zonas de gran insolación (centro y sur de España) pasará por las centrales termosolares de helióstatos y espejos parabólicos. En el desierto del Mojave (California) hace veinte años que funcionan centrales de este tipo con una potencia eléctrica instalada de casi 500 MW. La modalidad de central solar con helióstatos permite un elevado rendimiento y generar la potencia que se desee. La recién inaugurada en Dos Hermanas (Sevilla) requiere un espacio de 5 ha/MW(e). Se trata de la primera planta comercial. Es preciso reducir el ratio ocupación de espacio-generación de electricidad. La central de espejos parabólicos de Andasol-1 (Granada), requiere una ocupación de 4 ha/ MW(e).

600 • •

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Las centrales de parábolas, si bien tienen un excelente rendimiento, generan una potencia limitada por lo que su uso se ve restringido a lugares alejados de la red eléctrica principal. Para dar un impulso definitivo a estas centrales, básicamente a su rentabilidad, es preciso autorizar la hibridación, al menos en un 20% (en EE UU es un 25%) para suplir horas de poca insolación. Otro punto fundamental para el desarrollo de la energía termosolar es el dominio de la tecnología de las sales fundidas para el almacenamiento de energía y posibilidad de funcionamiento de una planta durante 24 horas diarias. Las chimeneas solares, menos investigadas que las centrales termosolares, tienen un gran futuro, si bien la construcción es complicada desde el punto de vista mecánico. 350 chimeneas (que podrían ocupar 14.000 km2) bastarían para suministrar toda la electricidad del país. La Torre de Energía funciona gracias a un principio básico de la convección: el aire caliente asciende y el aire frío ocupa su lugar. El aire caliente de la parte superior al ser humidificado con agua (da igual su calidad) se enfría y se desploma. La velocidad de descenso es tan elevada que permite instalar turbinas y generar electricidad. La eficiencia de las células de silicio cristalino llegan al 40%. Se espera que antes de 10 años se pueda alcanzar el 50% con diversas composiciones. El teluro de cadmio y el silicio amorfo en capa fina es cada vez más usado, si bien su eficiencia es menor que el cristalino, cuando los rayos del sol calientan la célula, al contrario del cristalino, su eficiencia se reduce escasamente. Las composiciones fotovoltaicas con plásticos semiconductores suponen una gran esperanza, cuando alcancen una eficiencia razonable. El Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Denver (EE UU) ha descubierto una clase de nanopartículas que pueden liberar más de dos electrones por cada fotón incidente (lo normal es uno a uno). En términos generales: El silicio cristalino, en zonas de clima soleado y claro, debe ir con seguidores solares. En caso de clima propenso a la nubosidad (preponderancia de la radiación difusa) es más adecuado el silicio amorfo. El desarrollo y popularización de la energía fotovoltaica debe pasar por la obtención de captadores más sencillos, adaptados a los materiales de construcción y baratos. De esta manera permitiría generar electricidad sin la necesidad de primas.

Introducción El Sol está catalogado como una estrella de tamaño mediano que se halla en la mitad de su vida. Sus regiones interiores son totalmente inaccesibles a la observación directa y es allí donde existen temperaturas de más de 100 millones de grados, necesarios para producir las reacciones nucleares que producen su energía. La capa más externa, que es la que genera casi toda la radiación observada, se llama fotosfera y tiene una temperatura de 5.777 ºK. Tiene solo una anchura de entre 200 y 300 km. Por encima de ella está la cromosfera, con una anchura de unos 15.000 km. Más exterior aún es la

corona solar, una parte muy tenue y caliente que se extiende varios millones de kilómetros y que solo es visible durante los eclipses solares totales. La energía solar que se disipa en el espacio es de 3,87·1026 vatios (3,87·1014 TW) y la que llega a la capa exterior de la Tierra es muy inferior, por el hecho de encontrarse a gran distancia y ser de un tamaño muy inferior al del Sol. Esta energía es del orden de 173.000 TW, lo que equivale a 4.500 veces la energía que el hombre consume. El consumo de energía del mundo, en el año 2008, fue de 10,7·1016 kcal/año (el consumo pro-

La radiación solar

medio per cápita es de 2,20 kWh, lo que para una población de 6.500 millones de habitantes suponen 14,3 TWh, o bien 125.268 TWh/año, o 10,7·1016 kcal/año), que equivale a la cantidad de energía solar que llega a la superficie de la Tierra durante 35 minutos, es decir, un 0,06%. La radiación solar es el flujo de energía que llega del Sol en forma de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). Aproximadamente la mitad de las frecuencias que se reciben están comprendidas entre 0,4 μm y 0,7 μm y pueden ser detectadas por el ojo humano, constituyendo lo que se denomina como luz visible. De la otra mitad, la mayoría se sitúa en la parte infrarroja (IR) del espectro y una pequeña parte en la ultravioleta (UV). La radiación que llega a la Tierra se compone de 9% ultravioleta, 42% radiación visible y 49% infrarroja. La energía de los fotones, para cada tipo de radiación, es: UV de 70 kcal/mol a 46.000 kcal/ mol, luz visible de 37 kcal/mol a 74 kcal/mol y el IR de 2 kcal/mol a 37 kcal/mol. En función de cómo reciben la radiación solar los objetos situados en la superficie terrestre, se pueden distinguir los siguientes tipos de radiación: •

•

•

Radiación directa. Es aquella que llega directamente del Sol sin haber sufrido cambio alguno en su dirección. Este tipo de radiación se caracteriza por proyectar una sombra definida de los objetos opacos que la interceptan. Radiación difusa. Parte de la radiación que atraviesa la atmósfera es reflejada por las nubes o absorbida por estas. Esta radiación, que se denomina difusa, va en todas direcciones, como consecuencia de las reflexiones y absorciones, no solo de las nubes sino de las partículas de polvo atmosférico, montañas, árboles, edificios, el propio suelo, etc. Este tipo de radiación se caracteriza por no producir sombra alguna respecto a los objetos opacos interpuestos. Las superficies horizontales son las que más radiación difusa reciben, ya que ven toda la bóveda celeste, mientras que las verticales reciben menos porque solo ven la mitad. Radiación reflejada. Es aquella reflejada por la superficie terrestre. La cantidad de radia-

•

601 ción depende del coeficiente de reflexión de la superficie, también llamado albedo. Las superficies horizontales no reciben ninguna radiación reflejada, porque no ven ninguna superficie terrestre y las superficies verticales son las que más radiación reflejada reciben. Radiación global. La radiación global es la suma de las tres radiaciones.

En un día despejado, con cielo limpio, la radiación directa (la que llega en línea recta) es preponderante sobre la radiación difusa. Por el contrario, en un día nublado no existe radiación directa y la totalidad de la radiación que incide es difusa. La radiación solar incidente en la Tierra puede aprovecharse, por su capacidad para calentar, ya sea directamente, a través de la captación de la radiación por dispositivos ópticos o de otro tipo. Es un tipo de energía renovable y limpia, lo que se conoce como energía verde. Siendo la distancia entre el Sol y la Tierra de 1,5·1011 metros, el flujo de energía solar que alcanza la Tierra es de:

La irradiación directa normal (o perpendicular a los rayos solares), fuera de la atmósfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1367 ±7 W/m² (que corresponde a un valor máximo en el perihelio de 1.395 W/m² y un valor mínimo en el afelio de 1.308 W/m²), valor que se denomina constante solar. Este valor se ha podido comprobar con precisión mediante medidas desde los satélites artificiales, y es muy próximo al calculado anteriormente de una forma simple. A partir de la constante solar se puede calcular el flujo medio que incide por metro cuadrado en la superficie esférica exterior de la atmósfera (tope de la atmósfera), valor que es, aproximadamente, de una cuarta parte: unos 342 W/m2. En efecto, el total de la energía solar por metro cuadrado que continuamente es interceptado por el planeta Tierra es igual al valor de la constante solar, 1.367 W/ m2, multiplicado por la sección recta de la superficie de un círculo imaginario πR2 (siendo R el radio de la Tierra), que divide a la Tierra en dos partes y

602


Figura 36.1. El flujo de la radiación solar que recibe la Tierra por m2 se llama constante solar: 1.367 W/m2. Este flujo repartido por toda la envoltura de la atmósfera terrestre, flujo solar entrante promedio, es de 342 W/m2.

que es perpendicular a la dirección de la radiación, tal como se indica en la Figura 36.1. Por lo tanto equivale a 1.368 x πR2 watios. Como la superficie de la Tierra es esférica, su superficie (4πR2) es cuatro veces mayor que la superficie de ese círculo transversal (πR2), por lo que el flujo medio que se reparte por el conjunto de la esfera, día y noche, es cuatro veces menor. El balance de los flujos de energía que llega a la Tierra es complejo. Los flujos de energía que atraviesan verticalmente la atmósfera, hacia abajo en dirección la tierra y hacia arriba o hacia el exterior, son un factor esencial del clima. Sus variaciones, Figura 36.2. Flujos de energía en W/m2 entre el espacio exterior, la atmósfera y la tierra. El flujo que recibe la Tierra del Sol es de 342 W/m2, con radiaciones ultravioleta, visible e infrarrojo. Sin embargo la superficie de la Tierra recibe del Sol 168 W/m2 y del efecto invernadero de la atmósfera 324 W/ m2, en total 492 W/m2, que es la misma cantidad que emite por radiación y convección y evaporación a través del aire (390+78+24), lo que supone un balance cero de la superficie terrestre. También se obtiene un balance cero en la atmósfera y en el límite de la atmósfera. Con este equilibrio se mantiene constante la temperatura de la tierra y la atmósfera. (Datos de The Earth Observer. November-December 2006. Volume 18, Issue 6. page 38, publicados por la NASA).

que pueden deberse a alteraciones en la composición química y física del aire, pueden estar en el origen de muchos de los cambios climáticos. Se diferencian tres tipos de flujos de energía: 1) la radiación directa solar, que penetra y atraviesa la atmósfera de arriba hacia abajo; 2) la radiación reflejada, que es transmitida en sentido opuesto, de abajo hacia arriba; y 3) la radiación difusa, o radiación atmosférica, que el propio aire emite en ambas direcciones, hacia abajo y hacia arriba, y entre las que se encuentra el origen del “efecto invernadero”. Todos los flujos y su balance están reflejados en la Figura 36.2.

La radiación solar

El balance es complejo ya que, aparte de considerar el espacio exterior, y la Tierra, hay que tener en cuenta la atmósfera, con las nubes…, que absorben y que reflejan en todas direcciones, hacia el espacio exterior y hacia la Tierra. Durante muchos años los expertos han considerado nulo este balance, lo que explica la constancia de la temperatura de la Tierra y de la atmósfera. Del flujo de la radiación solar entrante o incidente, 342 W/m2, alrededor del 31% (107 W/m2), es reflejado desde la propia atmósfera (77 W/m2) o desde la superficie continental u oceánica (30 W/ m2), y devuelto de nuevo hacia el espacio exterior sin ser utilizado. Este porcentaje de radiación reflejada, que se pierde en el espacio, es lo que se denomina el albedo terrestre, cuyo valor aproximado es de 0,31. En consecuencia el flujo absorbido por la Tierra y la atmósfera queda en 235 W/m2. De ellos, 67 W/m2 son absorbidos directamente por los gases y las nubes que componen la atmósfera (una pequeña parte es absorbida en la estratosfera, especialmente por el oxígeno y el ozono, y la mayor parte es absorbida en la troposfera, especialmente por el vapor de agua, por el polvo en suspensión y por las nubes). Los 168 W/m2 restantes, que atraviesan el aire, son absorbidos por la superficie terrestre, repartiéndose de forma muy diferente según la latitud. Este flujo que llega al suelo lo hace en forma de radiación directa y difusa. El albedo del conjunto de la Tierra, 0,31, es una cifra media, que puede variar con el tiempo, y sobre el que hay todavía una gran incertidumbre en su cálculo y en sus cambios. Además depende fundamentalmente de las nubes, y también del albedo de la superficie de la Tierra, que varía según el color de los diferentes paisajes terrestres. Cuanto más blanquecina sea una superficie, más cantidad de luz refleja y mayor es su albedo. Por lo tanto, cuanto mayor sea el área terrestre, marina o continental, cubierta por nieve, mayor es el albedo. El albedo continental suele ser mayor que el albedo oceánico. El albedo de los desiertos es mayor que el de los bosques o el de las selvas, y el albedo de un paisaje nevado de tundra es mayor que si el paisaje está recubierto por bosques boreales. La vegetación tiene un albedo bajo y absorbe en todo el espectro, pero especialmente en la zona del visible, aprovechando esta energía para la fotosíntesis.

603

Siguiendo con los intercambios de flujos de la superficie terrestre, tenemos que la Tierra emite y desprende flujos de energía por radiación, convección y evaporación. Por estar a una temperatura mayor que 0 ºK, aproximadamente a una media des 278 ºK (15 ºC), irradia unos 390 W/m2 a la atmósfera, básicamente de la banda infrarroja y algo de visible, consecuencia directa de la relativamente baja temperatura de la superficie de la Tierra. De ellos 40 W/m2 van directamente al espacio exterior, por lo que se conoce como ventana atmosférica, mientras que el resto, 350 W/m2, son absorbidos por la atmósfera. La Tierra emite por evaporación de agua unos 78 W/m2, y por convección a través de la turbulencia del aire atmosférico unos 24 W/m2. El primer concepto corresponde al mismo efecto que cuando el cuerpo se moja y se produce la evaporación del agua sobre la piel, lo cual produce una sensación refrescante, mientras que el segundo resulta que el aire en contacto con la superficie de la Tierra se calienta por lo que se dilata, pierde densidad y asciende, con lo que hay una transferencia de calor de la Tierra a la atmósfera. También existe un balance de energía de la atmósfera que circunda la Tierra, que en su valor global es nulo y hace que se mantenga estable su temperatura con el transcurrir del tiempo. La atmósfera está compuesta por muchos tipos de gases, pero el CO2, el vapor de agua, el metano y otros gases, así como las nubes (vapor de agua…), polvo, etc., tienen una gran capacidad de absorber radiaciones infrarrojas e incluso visible, y a su vez emitirlas (comportándose como un cuerpo negro para este tipo de radiaciones), pero no las ultravioleta. Por lo comentado, estos gases dejan pasar gran parte de la radiación solar y en cambio atrapan con facilidad casi toda la radiación procedente de la Tierra, como se observa en la Figura 36.2. Así flujos entrantes en la atmósfera son los 67 W/m2de la radiación solar y los procedentes de la Tierra (390+78+ 24 W/m2), casi todos absorbidos (excepto los 40 W/m2 de la ventana atmosférica), pero que la atmósfera vuelve a emitir hacia el espacio exterior (165+30 W/m2) y hacia la Tierra en gran cantidad, 324 W/m2, que es lo que se conoce como efecto invernadero. Los gases como el CO2, SO2, H2S, metano, y sobre todo los clorofluo-

604


rocarbonados… incrementan mucho la capacidad de absorción y reflexión de la radiación procedente de la Tierra, aumentando en consecuencia el efecto invernadero. La temperatura media en la Tierra se mantiene prácticamente constante en unos 15 ºC, pero si no existiera la atmósfera se calcula que sería de unos -18 ºC. Esta diferencia de 33 ºC tan beneficiosa para la vida en el planeta se debe al efecto invernadero. El motivo por el que la temperatura se mantiene constante es porque la Tierra devuelve al espacio la misma cantidad de energía que recibe. Si la energía devuelta fuera algo menor que la recibida se iría calentando paulatinamente, y si devolviera más se iría enfriando. De ahí que el aumento de los llamados gases de efecto invernadero, CO2, metano, clorofluorocarbonos, pueden producir desequilibrios en estos balances, incrementado la radiación emitida de la atmósfera a la Tierra, así

algunos autores han firmado trabajos, (Hansen et al. 2005, o Trenberth, Fasullo y Kiehl de la NCAR en 2008) que indican que el balance neto de la tierra es de 0,9 W/m2 entrante. De las mediciones realizadas en nuestra latitud se obtiene un valor medio de la energía recibida diariamente en tierra plana del orden de los 4,8 kWh/m2. Existen diversos tipos de colectores solares que aprovechan de forma distinta la radiación solar. Los colectores solares planos, por ejemplo, captan la radiación total (directa más difusa), sin embargo, los colectores de concentración solo captan la radiación directa. Por esta razón, los colectores de concentración suelen situarse en zonas de muy poca nubosidad y con pocas brumas, en el interior, alejadas de las costas. Los colectores solares planos pueden colocarse en cualquier lugar, siempre que la insolación sea suficiente.

El mapa de radiación solar en España El valor de la radiación solar sobre una superficie va a estar condicionado por una serie de factores, como son el periodo del año, la latitud y longitud del lugar, orientación e inclinación de dicha superficie, condiciones climáticas del lugar, etc. Dada una ubicación, la condición óptima de inclinación y orientación de una superficie para conseguir una mayor ganancia de radiación solar sería aquella que siguiera la trayectoria del Sol, de manera que la superficie se mantuviera perpendicular a los rayos solares en cada instante. La medición de este valor en todas las condiciones posibles entraña una gran dificultad, por lo que generalmente se recurre a medir la radiación solar sobre superficie horizontal y mediante métodos numéricos se estima la radiación sobre superficies con una determinada inclinación y orientación. España se ve particularmente favorecida respecto al resto de los países de Europa, ya que sobre cada metro cuadrado de su suelo inciden al año unos 1.500 kWh/m2 de energía, cifra similar a la de muchas regiones de América Central y del Sur. Esta energía puede aprovecharse directamente, o bien ser convertida en otras formas útiles como, por ejemplo, en electricidad.

A efectos de conversión y aprovechamiento de la radiación térmica, los valores varían mucho de verano a invierno y, obviamente, de día a noche. La energía real que llega al suelo de la Tierra, en valor medio es de 492 W/m2, según puede observarse en la Figura 36.2. Naturalmente, a las zonas polares no llega casi nada y la mayor cantidad se concentra en los trópicos. En los trópicos también existen muchas nubes, que impiden la captación de la radiación (directa), por lo que se llega a la conclusión de que el espacio más interesante, a efectos energéticos, es el desértico o semidesértico que se extiende, por todo el planeta, cerca del ecuador. La radiación se mide con un piranómetro, instrumento que mesura el valor de la radiación solar. En nuestra latitud, los máximos valores se alcanzan en junio/julio (solsticio de verano) con valores máximos diarios que pueden superar los 1.000 W/ m2 y valores medios diarios del orden de 350 W/ m2. En los meses de invierno (diciembre/enero) los valores máximos diarios que alcanzan superan los 300/500 W/m2 y valores medios diarios del orden de 100 W/m2. Para llevar a cabo cálculos de diseño se debe conocer la media anual que, en una zona

605

La radiación solar

Figura 36.3. Mapa de radiación solar de España.

como Castilla León, puede ser de 180 W/m2, o lo que es lo mismo, una energía de 1.576 kWh/m2 y año. Como sea que en esta región se calculan unas 2.500 horas anuales de insolación, equivalentes a 6,8 h/día, lo que supone una potencia media en las

horas de insolación de 630 W/m2 y una energía de 4,2 kWh/m2 y día, que es el valor (región II) que aparece en el mapa solar de la Figura 36.3. Si sobre el mapa solar de la Figura 36.3 se sobrepusiera un mapa geográfico se llegaría a la

Tabla 36.1. Energía recibida por zona de insolación. }; :2

960

1.120

2.160

2.720

1.040

8.000

I

II

III

IV

V

TOTAL

60.000

70.000

135.000

170.000

65.000

500.000

300

350

675

850

325

2.500

Días insolados

91

128

164

201

274

Irradiación kWh/m2 y día

3,5

4,0

4,4

4,8

5,2

Zona Área terrestre (km2) Superficie paneles (km2)

Energía diaria MWh

1.050.000

1.400.000

2.970.000

4.080.000

1.690.000

11.190.000

Energía anual (tep)

8.239.875

15.381.100

41.952.735

70.439.160

39.786.825

175.799.695

4.000

-

1.000

4.000

3.000

12.000 300

Área marina (km2) 2

Ocupación (km )

100

-

25

100

75

Días insolados

91

128

164

201

274

Irradiación kWh/m2

3,5

4,0

4,4

4,8

5,2

Energía diaria MWh

350.000

-

110.000

480.000

390.000

1.330.000

Energía anual (tep)

2.746.625

-

1.553.805

8.286.960

9.181.575

21.768.965

606


conclusión de que la mayor parte de las zonas de máxima irradiación son, precisamente, zonas deshabitadas, lo que abunda en la idea de potenciar parte de estos terrenos para la captación de energía solar. La Tabla 36.1 muestra una aproximación de la energía recibida anualmente según las zonas de insolación, que aparecen en la Figura 36.3. Además, en esta tabla se hace el ejercicio de evaluar la energía captada cuando se emplea el 0,5% del territorio para instalaciones de captación (2.500 km2) y el 2,5% del espacio marino correspondiente (300 km2). Teniendo en cuenta las áreas muertas y

zonas de servicio, el área utilizada sería del orden de los 8.000 km2, es decir un 1,6% de la superficie de España. Finalmente, la Tabla 36.2 finaliza el ejercicio iniciado en la Tabla 36.1. Con las citadas instalaciones, es factible subvenir la energía térmica para todas las viviendas de España. Con el resto de la energía, una vez transformada en electricidad con un rendimiento del 17%, cubriría el consumo eléctrico acaecido en España en 2007, incluso con un exceso del 37%. Sin embargo este sistema requeriría importantes sistemas de almacenamiento de energía actualmente no disponibles.

Tabla 36.2. Energía térmica para la vivienda. Consumo anual por vivienda (aprox. 3 personas/hogar)

1,2

tep/año

Hogares en España

14.000.000

viviendas

Consumo térmico en viviendas

16.800.000

tep/año

Energía total irradiada en tierra

175.799.695

tep/año

Energía disponible en tierra

158.999.695

tep/año

Energía total irradiada en mar

21.768.965

tep/año

TOTAL energía térmica disponible

180.768.660

tep/año

TOTAL energía térmica disponible

2.101.961.163

MWh/año

Tasa de conversión eléctrica

17%

Energía eléctrica generada

357.333.398

MWh/año

Energía eléctrica en España en 2007

260.838.000

MWh/año

EXCESO: energía generada/consumida

137,0%

Uso de la energía solar pasiva La tecnología solar pasiva hace referencia a aquellos sistemas que son capaces de convertir la luz del Sol en calor utilizable, producir movimientos de aire para ventilar o enfriar, o almacenar ese calor para uso futuro sin requerir de ningún equipamiento eléctrico o mecánico. Las tecnologías que usan bombas o ventiladores consumen una significativa cantidad de energía para su funcionamiento y se clasifican dentro de las tecnologías solares activas. Algunos sistemas solares pasivos pueden, no obstante, consumir una pequeña cantidad de energía necesaria para activar compuertas, relés, interruptores u otros dispositivos que mejorarían el rendimiento de estos sistemas en la recolección, almacenamiento y uso de la energía solar. La tecnología solar pasiva incluye sistemas con ganancia directa e indirecta para el calentamiento

de espacios, sistemas de calentamiento de agua basados en termosifón, el uso de masa térmica y de materiales con cambio de fase para suavizar las oscilaciones de la temperatura del aire, cocinas solares, chimeneas solares para mejorar la ventilación natural y el propio abrigo de la tierra. La Figura 36.4 muestra una división simplificada entre los elementos activos y pasivos usados en la captación y empleo de la energía solar. Los sistemas solares pasivos se caracterizan por requerir poco o ningún coste para realizar su trabajo, bajo coste de mantenimiento y no emiten gases de efecto invernadero durante su funcionamiento. El ahorro y la eficiencia en el consumo de la energía reducen el tamaño de una instalación y redunda en un mayor beneficio económico cuando los criterios de diseño se consideran desde el

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Figura 36.4. Sistemas activos y pasivos de aprovechamiento de la energía solar.

principio. Las tecnologías solares pasivas ofrecen importantes ahorros, sobre todo en lo que respecta a la calefacción de espacios. Combinadas con tecnologías solares activas, como la solar fotovoltaica, pueden convertirse, además, en una excelente fuente de ingresos. Un diseño pasivo para aprovechamiento energético es un sistema que capta la energía solar, la almacena y la distribuye de forma natural, sin mediación de elementos mecánicos. Sus principios están basados en las características de los materiales empleados y en la utilización de fenómenos naturales de circulación del aire. Por tanto, se establece una interrelación entre energía solar pasiva y arquitectura, ya que estos sistemas se construyen sobre la estructura del edificio. Una de las grandes ventajas de los sistemas pasivos es su durabilidad. La integración de colectores de aire, la utilización de paredes internas como muros acumuladores de calor y la aplicación de ventiladores, aumentan la eficacia de los sistemas pasivos, conocidos como “híbridos”, ya que utilizan ciertos sistemas mecánicos activos. La arquitectura solar pasiva o bioclimática tiene en cuenta el clima del lugar, la energía solar recibida, temperatura, dirección del viento, la vegetación del medio y la orientación para que el edificio reciba el máximo de energía solar posible. El objetivo

es conseguir, con el mínimo consumo de energía convencional, el máximo confort, logrando que las temperaturas en estos edificios sean constantes aunque la exterior sufra grandes oscilaciones. Las aplicaciones más importantes de los sistemas solares pasivos son la calefacción y la refrigeración. La calefacción consiste en invernaderos adosados, galerías acristaladas, ventanas y muros colectores para captar el calor solar, normalmente orientados hacia el sur y aislando las paredes norte. Los muros y techos deben estar fabricados con materiales que acumulen calor que se transfiera al interior de la casa. La refrigeración se obtiene evitando la ganancia de calor, con protectores, ya sean aleros, toldos, persianas o bien por sistemas enterrados. Se extrae también calor de noche, radiación hacia el cielo con una cubierta térmica móvil, enfriamiento evaporativo o ventilación inducida. La iluminación se consigue por medio de mecanismos de transmisión óptica. La luz indirecta es dirigida hacia paneles reflectantes. En el interior de la vivienda, la luz difusa se potencia con pinturas blancas o claras. La Figura 36.5 muestra el interior de un edificio iluminado con luz solar. Se observa que los puntos de luz son de tamaño notable y ello se debe a que la luz solar se envía por medio de conductos que contienen espejos en su interior.

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Figura 36.5. Iluminación solar de ambientes interiores.

En particular esta aplicación es significativamente interesante para oficinas, centros administrativos, colegios, etc. Es decir, edificios que realizan la actividad durante horas diurnas. Como se comentó en la Parte IV de esta obra, se trata de una estrategia que supone un sobrecoste del orden

del 10%, pero el ahorro energético puede llegar al 70 u 80% durante el tiempo de utilización, y la amortización se realiza rápidamente. Además, con el tiempo, este tipo de soluciones se estandarizarán más y el sobrecoste disminuirá. La Figura 36.6 muestra una estrategia bioclimática para el control de una casa en verano. Los rayos solares caen verticalmente y no penetran en el interior de la vivienda ya que las persianas están cerradas, mientras el aire frío entra por la parte inferior y ventila la casa. En invierno las persianas están abiertas, entra la radiación solar calentando el aire del invernadero que se aprovecha para toda la casa. Se estima que para el año 2010 se podrá duplicar el aprovechamiento de la energía solar pasiva, y ello supondrá una reducción del 50% de las emisiones de CO2 y ahorrar energía de manera significativa.

Figura 36.6. Aplicación de la energía solar pasiva.

Calentamiento del agua para usos domésticos En los últimos años se está produciendo un aumento notable de las instalaciones de energía solar térmica debido, por un lado, a la sensibilidad creciente de la sociedad hacia la necesidad de sustituir los combustibles fósiles y, por otro, a los avances en los sistemas de distribución y uso del

agua caliente sanitaria (mejora de la calidad, reducción de costes, etc.). Por otra parte, el nuevo marco legal que se está desarrollando en España fomenta e incluso obliga a utilizar la energía solar para cubrir del 30% al 70%, como mínimo, según zona climática y nivel de

La radiación solar

demanda de ACS (Tablas 2.1 y 2.2 del DB- HE4) de los edificios de nueva construcción o que sean rehabilitados. La utilización de la radiación solar para conseguir el agua caliente sanitaria necesaria tanto en viviendas unifamiliares como para uso colectivo (bloques de viviendas, hoteles, hospitales, instalaciones deportivas, etc.), es una de las aplicaciones más atractivas y prácticas, no solo por el ahorro económico que ello supone, sino por la reducción de emisiones contaminantes, así como por la disminución de la dependencia de combustibles fósiles. Un equipo solar térmico doméstico es una tecnología sumamente simple, siendo su configuración habitual la que se observa en la Figura 36.7 y lo componen básicamente cuatro sistemas: •

•

•

Sistema de captación: es la parte más visible y es donde se transfiere la energía de la radiación solar al denominado líquido portador de calor (agua o mezcla de agua con anticongelante). Está compuesta por paneles o captadores solares planos, integrados en una caja termoaislada. La superficie captadora es de color negro para absorber la máxima radiación y transferirla al líquido circulante. Últimamente tiene un gran desarrollo el uso de tubos de vacío que permiten obtener el agua a mayor temperatura, incluso sobrecalentada, lo que permite aplicaciones de refrigeración en verano mediante maquinas de absorción. Sistema de intercambio: es donde se produce la transferencia térmica del líquido portador de calor al agua de servicio a través de un intercambiador. Este sistema puede no estar presente en las configuraciones más sencillas, en cuyo caso el líquido empleado es directamente el agua calentada para consumo, siempre que, en serie, exista un utilizador final que controle la temperatura para el uso adecuado y ejerza, al mismo tiempo, la prevención de la legionelosis. Sistema de acumulación: es el que permite el almacenaje del agua caliente hasta el momento de ser consumida. Está compuesto por un tanque acumulador cuyo volumen dependerá del diseño de la instalación, alrededor de 50l/m2 de captador.

•

609 Sistema auxiliar: es un elemento de apoyo adicional (por ejemplo, una caldera) para cuando la temperatura de salida del agua caliente del acumulador no es suficientemente alta o como soporte en caso de sustitución o reparación del equipo.

Figura 36.7. Generación de agua caliente sanitaria y calefacción por medio de la radiación solar.

Adicionalmente se suele incorporar, en caso de que lo requiera la configuración del equipo, un sistema de control que permita al usuario gestionar el funcionamiento y conocer a cada momento la temperatura del agua, así como comprobar si el equipo funciona correctamente. Se trata de una pequeña centralita automática (coloquialmente conocida como 'T), que recoge información a través de sondas de temperatura (una en el equipo de captación y otra en el tanque de acumulación), y pone en marcha, o para, las bombas de recirculación del sistema hidráulico cuando oscila el 'T dentro de un rango programado (aproximadamente +/- 2 ºC sobre el punto de consigna). La Figura 36.8 muestra la evolución del consumo energético de los hogares españoles y su evolución a lo largo del tiempo. También hay que hacer referencia a los parámetros físicos de ocupación. Asumiendo que en un día despejado, el Sol irradia alrededor de 1 kW/m2 a la superficie de la Tierra, y considerando que los paneles fotovoltaicos actuales tienen una eficiencia pro-

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Figura 36.8. Intensidad energética de los hogares.

medio del 12%, esto supondría una producción de, aproximadamente, 120 W/m². Con 17 m2 de panel se obtiene una potencia teórica de 1,8 kW; asumiendo un promedio diario de tres horas de irradiación solar completa se consigue una producción de energía de 5,4 kWh, que es el doble de lo que teóricamente necesita un hogar promedio. Teniendo en cuenta una superficie media de 90 m2 por vivienda, la superficie del panel solar necesario para cubrir las necesidades energéticas es el 16,6%. El problema técnico, a 2009, consiste en la coincidencia del mayor pico de producción de energía con el pico de la demanda de consumo y lograr un mayor rendimiento del panel que debería ser mayor. La gestión de las instalaciones representa un problema a solventar, tanto para los instaladores y promotores de estas tecnologías como para los propietarios y usuarios finales, debido a que en algunos casos el uso específico de la instalación depende principalmente de la estacionalidad (segundas residencias, centros vacacionales, etc.). Así pues, se deben considerar opciones adicionales que garanticen el buen funcionamiento a largo plazo de la instalación, pese a que esto llegue a encarecer el costo de la instalación y su mantenimiento. En caso de sobrecalentamiento y al momento de alcanzar la instalación la temperatura de régimen se somete la misma a evaporaciones y condensaciones continuas, lo que puede provocar problemas

técnicos como la dilatación y contracción de las tuberías, problemas de uniones y soldaduras, mal trabajo de bombas, etc. Para subsanar estas potenciales disfunciones se recurre a opciones tanto automatizadas como manuales que permiten emplear solo una parte de la instalación, ya sea cubriendo y destapando los captadores o desviando los excedentes energéticos a otras aplicaciones diferentes a las originalmente contempladas. Por ejemplo, algunos electrodomésticos comunes como lavavajillas y lavadoras de ropa tienen su mayor gasto energético en la operación de calentamiento del agua; si se consigue conectar esta demanda energética con los excedentes de producción el ahorro al que se puede llegar en un edificio de viviendas puede ser significativo.

CALENTAMIENTO SOLAR DE PISCINAS CUBIERTAS Las piscinas cubiertas son instalaciones cerradas y en principio aisladas del medio ambiente (sin embargo una gran superficie de acristalamiento), en las que una serie de equipos y sistemas mecánicos mantienen unas condiciones térmicas e higrométricas en el agua del vaso y el ambiente que las rodea. En el caso de climatizar la piscina el DB-HE4 (Tabla 2.3 del DB) exige una contribución mínima del 30% al 70% según zona climática.

La radiación solar

La demanda de calor del vaso presenta una fuerte dependencia con la temperatura del aire y la humedad relativa del lugar (sobre todo el incremento de humedad motivado por la evaporación, lavado de filtros y aire. Todo ello perfectamente reglamentado), por lo que pequeños cambios en las consignas de control de estos parámetros pueden influir de forma importante en las demandas térmicas. En este tipo de instalaciones se suelen emplear técnicas de recuperación de calor (obligatorio en instalaciones públicas). En concreto, cuando se usan bombas de calor como medio de control de la humedad del aire del recinto, parte del calor de condensación se puede recuperar para calentar el vaso de la piscina. La bomba de calor no suele ser suficiente para acondicionar la piscina por lo que es preciso complementar con otros sistemas. A la hora de diseñar una instalación solar para calentamiento del vaso es imprescindible contar con información fidedigna sobre el funcionamiento de la piscina, sobre todo por lo que se refiere a: • • • • • •

Calendario de funcionamiento. Horarios de uso. Afluencia de público. Parámetros de consigna. Técnica de deshumectación empleada. Posibilidad de recuperación de calor residual y características de los equipos.

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Generalmente el calentamiento de las piscinas climatizadas se realiza a través de un lazo hidráulico por el que se desvía una pequeña fracción del caudal de depuración. El caudal derivado se calienta sufriendo un salto térmico, habitualmente de 26 ºC a 34/35 ºC, y posteriormente se incorpora al caudal principal de depuración antes de la impulsión al vaso de la piscina. De esta forma, el salto térmico entre el caudal de retorno y el de impulsión al vaso suele estar limitado a unos 8 ºC. Para hacer circular el agua por el lazo de calentamiento se pueden emplear dos sistemas. •

•

Provocar una pérdida de carga en el circuito de depuración mediante una válvula (generalmente de mariposa: muy rudimentaria y, generalmente, de poca precisión) parcialmente cerrada. Mediante una bomba de circulación en el lazo de calentamiento.

Si se complementa con calentamiento solar, este se realiza sobre el mismo lazo que el calentamiento convencional, el intercambiador solar se situará siempre anterior al intercambiador auxiliar, como se esquematiza en la Figura 36.9 (La impulsión del agua caliente debe hacerse siempre por el fondo de la piscina).

Figura 36.9. Sistema de calentamiento solar del agua para piscinas.

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Refrigeración solar El uso de energía solar para enfriamiento de recintos o acondicionamiento de aire tiene atractivo porque hay una buena relación entre el suministro de energía y la demanda de enfriamiento, y por la posibilidad de usar una parte de todo el sistema de calentamiento solar para el acondicionamiento del aire frío. Se han propuesto varios sistemas básicos para el acondicionamiento de aire por energía solar, entre ellos los sistemas de deshumectación y de enfriamiento por absorción, ambos calentados por el sol. Sistemas de este tipo requieren equipos e instalaciones especiales en las que cada vez hay mas experiencia pero que conviene tener un importante respaldo tanto en el diseño como en la ejecución, puesta en marcha y explotación de la instalación.

El funcionamiento de cualquier máquina de absorción se basa en tres fenómenos físicos elementales: • •

•

Cuando un fluido se evapora absorbe calor y cuando se condensa cede calor. La temperatura de ebullición de un líquido varía en función de la presión, es decir, a medida que baja la presión, baja la temperatura de ebullición. Hay establecidas parejas de productos químicos que tienen cierta afinidad a la hora de disolverse el uno en el otro.

La Figura 36.10 recuerda el esquema de un ciclo convencional de refrigeración por compresión mecánica. El fluido refrigerante en estado líquido

Figura 36.10. Ciclo de refrigeración por compresión.

Figura 36.11 Esquema del ciclo de refrigeración por absorción.

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La radiación solar

Figura 36.12. Ciclo de refrigeración por absorción en simple efecto.

fluye hacia el evaporador, el medio a enfriar cede calor bajando su temperatura, mientras que el refrigerante se evapora. El gas a baja presión pasa al compresor, incrementando su presión y temperatura donde se licua cediendo calor al medio ambiente utilizado en el condensador. Este calor también se puede reutilizar El líquido refrigerante se desplaza desde el condensador a un elemento de expansión en el que su presión y temperatura se reducen con respecto a las del evaporador, evaporándose en este punto y completándose el ciclo. A veces, si un evaporador sustituye al compresor mecánico del ciclo de refrigeración anterior por un sistema térmico de desplazamiento (Figura 36.11). Este sistema de refrigeración, que no utiliza compresor, pues emplea el ciclo de absorción, compuesto de bomba, generador, absorbedor y válvula de expansión, como se indica en la Figura 36.11. Estos cuatro elementos, en ocasiones, se agrupan bajo la denominación del compresor térmico, pues realiza la función de un compresor mecánico en los habituales sistemas de refrigeración por compresión. Debido a la eficacia de este ciclo es posible utilizar también un aporte energético proveniente de un sistema solar como indica el de la Figura 36.12. Este constituye un ciclo de refrigeración por absorción de simple efecto. En líneas generales el principio de funcionamiento de un sistema de absorción es semejante al de un evaporador al vacío. Los gases de combus-

tión calientan una solución de bromuro de litio. El vapor generado (LiBr) calienta agua y vapor en los tubos, mientras el condensado retorna a la solución para ser, de nuevo, calentada y así cerrar el ciclo. Si la máquina solo ha de funcionar como máquina térmica, las válvulas de enfriamiento/calentamiento se cierran. La máquina funciona como una caldera de vacío, calentando agua a una temperatura inferior a 95 ºC. Cuando el agua se halla a 65 ºC, la presión es de, aproximadamente de 240 mmHg y, cuando el agua alcanza los 90 ºC, la presión es de 707 mmHg, 53 mmHg inferior a la presión atmosférica. Un intercambiador de calor provee el agua caliente. La Figura 36.13 muestra un esquema más general de una instalación completa de refrigeración solar por medio de una máquina de absorción. En ella se destaca como un sistema de refrigeración solar en ciclo cerrado se compone de: •

•

Campo solar. O sistema de captación de la energía solar. Puede ser a base de placa solar, cuando es necesaria muy baja potencia, espejos parabólicos o espejos Fresnel, cuando son necesarias mayores potencias. Máquina climatizadora por absorción. Produce frío, agua fría, por un sistema semejante al de una bomba de calor activada, en este caso, mediante energía térmica solar y un par absorbente/refrigerante como LiBr/ agua o agua/amoniaco.

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Figura 36.13 Refrigeración solar en ciclo de absorción.

•

•

•

Sistema de almacenamiento térmico. Almacena la energía excedente del campo solar para aprovecharla en los momentos de baja irradiación. Sistema hidráulico. Que transporta los diferentes fluidos caloportadores, con el mínimo nivel de pérdidas posible. Sistema de control.

La tecnología Fresnel consiste en reflejar la radiación solar incidente en espejos primarios, concentrándola en un tubo receptor de vacío por donde circula el fluido portador de calor. Los espejos primarios son rectangulares, planos, y se orientan automáticamente siguiendo la trayectoria del Sol. Un espejo secundario, ligeramente curvo, situado sobre el tubo calentador, se encarga de concentrar y reflejar la radiación. Respecto a la tecnología de los espejos parabólicos permite: • •

Una menor ocupación de espacio por unidad de kW. Es muy ligero.

• • •

Ajustar la potencia de salida mediante el desenfoque de algunos espejos. El receptor es estacionario, por lo que no se requieren juntas móviles. Permite el uso de agua como fluido portador de calor.

En el caso de España el problema es especialmente importante ya que los picos máximos de demanda eléctrica que antaño tenían lugar siempre en invierno, desde el año 2006 acontecen en verano debido a la gran cantidad de acondicionadores de aire instalados. Los equipos para aire acondicionado en edificios de oficinas de gama media y alta precisan potencias superiores a los 70 kW. Los equipos de pequeña potencia, inferiores a 20 kW para aplicaciones solares son todavía muy incipientes. Algunas de las principales barreras a su desarrollo son: • •

Poca oferta de aparatos disponibles en el mercado. Oferta todavía más limitada de aparatos/

La radiación solar

•

•

instalaciones que ofrezcan soluciones solares integrales: ACS, calefacción y aire acondicionado. Poca presencia, en el mercado, de captadores solares de media temperatura (100-200 ºC) que permitan el accionamiento de enfriadoras por absorción. Pero, sobre todo, con los ratios kW/m2 tan reducidos con la tecnología actual, se necesitarían grandes espacios, casi nunca disponibles.

La empresa hispanosueca ClimateWell ha desarrollado la noción de “frío solar”. El concepto de la climatización solar, también denominado frío solar, consiste en utilizar el calor obtenido mediante energía solar para la generación de frío que servirá para climatizar, en periodos de altas temperaturas, el interior de las viviendas. La energía solar permite además la obtención de agua caliente sanitaria (ACS) durante todo el año, a la vez que apoya el sistema de calefacción en la época de temperaturas más bajas y la climatización del agua de una piscina. La tecnología se basa en almacenar energía en sales minerales, extrayéndose después al mezclarla con agua. La máquina de ClimateWell, CW10, almacena la energía ilimitada del sol en la sal y posteriormente la transforma en frío o calor. Esta tecnología permitirá, en un futuro, que con una sola máquina CW10 y 30 m2 de paneles térmicos se pueda cubrir toda la demanda de refrigeración de una vivienda unifamiliar tipo en España.

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PRIMERA PLACA SOLAR QUE PRODUCE FRÍO Y CALOR La empresa lucentina Energy Panel ha desarrollado la primera placa solar térmica/termodinámica patentada en la Oficina Española de Patentes y Marcas, y está dotada de un sistema de doble aprovechamiento de la energía. Está formada por dos placas, una térmica y otra termodinámica, que se complementan para obtener energía útil calorífica con el máximo rendimiento y ahorro energético. En verano pueden funcionar de forma independiente los dos componentes del captador para obtener agua caliente con el colector térmico y producir frío en el ciclo termodinámico. Con este evaporador se aprovecha la radiación solar existente entre los tubos de vacío, todo el calor ambiental, el contenido en el aire e incluso el contenido en el agua de lluvia, para el proceso de cambio de fase del evaporador. Además logra un rendimiento superior a los actuales equipos por bomba de calor, al ser la superficie evaporadoracondensadora netamente superior a estos y no necesitar ventilación eléctrica ni ciclos de descongelación. En este sentido con este equipo se pueden sustituir las resistencias eléctricas o las calderas de combustibles fósiles empleadas para dar apoyo en instalaciones solares, por un mínimo consumo eléctrico del ciclo termodinámico, que tendrá la peculiaridad de generar grandes cantidades de potencia calorífica.

Centrales termosolares La intensidad de energía utilizable una vez que la radiación solar atraviesa la atmósfera es baja, y su utilización está condicionada por la temperatura a la cual se va a aprovechar. La energía solar térmica, según su utilización, se puede clasificar en baja, media o alta temperatura. Solo esta última es válida para la producción de energía eléctrica. Existen dos métodos para producir electricidad mediante energía solar térmica: • •

Alta concentración. Baja concentración.

En ambos casos, el sistema consiste en calentar un fluido que una vez evaporado mueve una turbina. A partir de ahí, el funcionamiento es similar al de una central de generación eléctrica cualquiera (nuclear, térmica, etc.), con la diferencia de que en este caso la fuente de energía es el Sol. El rendimiento global en generación de electricidad de una central termosolar está en torno al 16-20%. Se entiende por rendimiento la energía térmica transferida al vapor de agua (en el caso de que se trate de una generación de vapor) hasta la generación eléctrica en bornes de un alternador. La

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Figura 36.14 muestra la diferencia entre un ciclo típico de una central termoeléctrica y otra solar. Los tres sistemas de concentración usados son: •

•

•

Concentradores cilindro/parabólicos. Son concentradores de foco lineal con seguimiento en un solo eje. Concentraciones de 30 a 80 veces y potencias de campo unitario de 30 a 80 MW. Eficiencia neta anual 1116% y la pico es del 20%. La temperatura de operación oscila alrededor de los 400 ºC. Una variante lo constituyen los espejos Fresnel. Sistemas de torre o receptor central. Consiste en un campo de heliostatos (espejos de gran superficie: entre 40 y 130 m2 por unidad) que siguen la posición del Sol en todo momento (dos ejes). Los órdenes de concentración son de 200 a 1.000 y las potencias de 10 a 200 MW. Eficiencia neta anual 7-20% y la pico del 23%. La temperatura de operación del fluido oscila alrededor de los 600 ºC. Discos parabólicos. Pequeñas unidades con reflector, habitualmente conectado a un motor Stirling situado en el foco de la parábola. Los niveles de concentración son superiores (1.000 a 4.000) y las potencias bajas de 5 a 25 kW. Eficiencia neta anual 12-25% y la

pico del 30%. La temperatura de operación oscila alrededor de los 750 ºC. A primera vista parece que, en el caso de la central termosolar, al no existir gases calientes que emiten calor, el rendimiento debería ser mayor que una central termoeléctrica convencional. En esta última la temperatura del vapor es muy superior y, por tanto, el rendimiento mecánico de la turbina también, lo que se traduce en una mayor generación eléctrica a igualdad de energía entrante. En los dispositivos de alta concentración llamados también sistemas de “receptor central”, la radiación solar se capta por medio de un conjunto de espejos planos (helióstatos), que reflejan la luz del Sol concentrándola en un único punto o foco. Los espejos siguen el movimiento del Sol durante el día controlándolo mediante programas informáticos, ya que el movimiento del Sol varía con la latitud, la época del año y el día. Es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300 ºC hasta 1.000 ºC, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas. La captación y concentración de los rayos solares se hace por medio de espejos con orientación automática que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos más peque-

Figura 36.14. Principio de funcionamiento de centrales termoeléctricas.

La radiación solar

ños de geometría parabólica. El conjunto de la superficie reflectante y su dispositivo de orientación se denomina helióstato. En los sistemas de alta concentración hay que incluir los discos parabólicos. Los dispositivos de baja concentración son generalmente un conjunto de colectores cilindro/ parabólicos que se mueven con el Sol concentrando la radiación en una tubería ubicada a lo largo del foco, la cual concentra el fluido de trabajo que transporta el calor adquirido. El fluido que se mueve por el tubo (aceite térmico) es calentado y transportado por una red de tuberías diseñada para minimizar las pérdidas de calor. Los sistemas parabólicos operan a temperaturas entre 100 y 400 ºC, bastantes más bajas que el sistema de foco central. Sin embargo, esta modalidad en la que está más desarrollada tecnológicamente ya que son centrales que ocupan un espacio más pequeño. Tanto en sistemas de alta o baja concentración la energía calorífica solar se transforma generalmente en energía eléctrica, aunque existe la posibilidad de almacenar calor. En cualquier caso hay que tener presente que si bien estos sistemas parecen ser los de mejor futuro para países como España, que tiene zonas desérticas de gran insolación, para su funcionamiento precisan de una radiación clara y limpia, es decir, no funcionan en días nublados. En un informe elaborado en 2009 por la Asociación Europea de la Energía Termoeléctrica y la organización ecologista Greenpeace, aseguran que la energía solar térmica de concentración podría cubrir el 7% de la demanda mundial en 2015 y el 25% en 2050. Con la tecnología disponible hoy día una superficie desértica de 150.000 km2 (el 30% de la superficie de España) bastaría para generar la electricidad mundial. California, con 900 MW de procedencia solar termoeléctrica, Pacific Gas & Electric Company (PG&E) son las claves de uno de los proyectos más formidables que, en materia de sistemas solares termoeléctricos, está teniendo lugar en tiempo presente en todo el mundo (en este estado funcionan, desde hace más de veinte años, una serie de centrales termoeléctricas que se acercan, en su conjunto, a los 400 MW). La eléctrica estadounidense Pacific Gas & Electric Company (PG&E) ha anunciado que ha

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suscrito una serie de contratos en firme para la compra de energía generada en tres centrales termoeléctricas que sumarán 500 MW en total y que se proyectan en el desierto de Mojave (California). Mediante los contratos, firmados con el promotor solar Bright Source Energy, PG&E deja abierta una opción de 400 MW adicionales. La primera de las plantas, con una potencia de 100 MW, y proyectada sobre la parte californiana del desierto de Mojave, cerca del lago seco de Ivanpah, “podría llegar a estar en funcionamiento a principios de 2011”, según afirma PG&E, aunque el proyecto queda pendiente de los permisos definitivos. No obstante, los contratos con PG&E indican el grado de madurez de los 500 MW iniciales. Bright Source Energy es especialista en plantas solares termoeléctricas de torre central, que reciben los rayos de sol concentrados por un campo de reflectores o helióstatos a su alrededor. Basándose en este principio, la compañía ha diseñado su propia tecnología bajo el nombre Distribuited Power Tower 550 (Torre de Energía Distribuida), que reduce los costos instalados en comparación con el sistema cilindro/ parabólico que predomina en el mercado mundial (mercado actualmente acaparado por EE UU y España). PG&E se ha fijado como objetivo el generar un 20% de su energía con fuentes renovables en el año 2010.

TORRE Y HELIÓSTATOS El aprovechamiento de energía solar, a alta temperatura, para producir electricidad mediante vía termodinámica se basa en principios análogos a los que pueden contemplarse en una central eléctrica convencional que quema carbón o petróleo. Se consigue que la radiación solar caliente a alta temperatura un fluido primario (el fluido caloportador). Este fluido transmite el calor a un circuito secundario por el que circula un segundo fluido que, tras transformarse en vapor por la acción del calor, pone en marcha una turbina acoplada a un alternador. En algunos casos, es el propio fluido primario el que, convertido en vapor, acciona la turbina. Generalmente, todas estas instalaciones solares tienen incorporado un dispositivo que permite almacenar una cierta cantidad de energía en forma de calor para paliar en lo posible las fluctuaciones que puede presentar la radiación solar.

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Figura 36.15. Esquema de funcionamiento de una central termosolar a base de campo de helióstatos.

Hay diversos tipos de centrales solares basadas en este principio. Las hay de caldera única, de receptores distribuidos, etc. No obstante, las más extendidas son las centrales solares termoeléctricas de receptor central. En ellas, la radiación solar incide en un “campo de helióstatos”, como la representada en la Figura 36.15. Los sistemas más comunes de este tipo tienen el receptor instalado en una torre, por lo que reciben el nombre de centrales solares de tipo torre central. Los helióstatos constan de una estructura soporte y de una superficie reflectante. Asimismo, tienen incorporados unos mecanismos que permi-

ten que la superficie reflectante se mueva según dos ejes de giro, de modo que pueda captar de la mejor forma y en cada momento la radiación solar y concentrarla en el receptor instalado en la torre. Para mover los helióstatos, se utilizan medios electrónicos: cada espejo recibe periódicamente las órdenes que emite un programa incorporado a un ordenador central. El receptor tiene una serie de tubos por los que circula un fluido primario (agua, aceite, sales fundidas, aire..., que depende de la instalación) que transmite la energía recibida a un fluido secundario que, convertido en vapor, acciona una turbina. En determinadas centrales, el

Figura 36.16. Central termosolar de torre central y aire caliente.

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Figura 36.17. Esquema de funcionamiento de la tecnología de torre.

fluido primario transmite la energía previamente al dispositivo de almacenamiento, y luego se sigue el ciclo termodinámico habitual. En el modelo esquematizado en la Figura 36.16 según se dimensione el tanque de sales calientes es posible que la central pueda funcionar las 24 horas del día. La variante representada en la Figura 36.16 usa aire como fluido caloportador para producir vapor. En los sistemas de torre por campo de helióstatos se puede llegar a reflejar la radiación solar para concentrarla hasta 600 veces sobre un receptor que se sitúa en la parte superior de una torre. Las superficies reflectantes más empleadas actualmente son de espejos de vidrio. El principio general de funcionamiento se halla esquematizado en la Figura 36.17.

Figura 36.18. Foto de la planta de helióstatos PS10 en operación junto a PS20 en construcción.

La torre sirve de soporte al receptor, que debe situarse a cierta altura sobre el nivel de los helióstatos con el fin de evitar, o al menos reducir, las sombras y los bloqueos. La primera torre comercial del mundo es propiedad de Abengoa Solar y se halla ubicada en la localidad sevillana de Dos Hermanas. Actualmente la segunda torre PS20 está en construcción, como muestra la Figura 36.18. Las altas temperaturas (superiores a 1.000 ºC) que se pueden alcanzar con esta tecnología permiten aspirar a elevados rendimientos en la generación de electricidad, incluso por encima del 25% en la transformación de radiación solar a electricidad. A partir del almacenamiento de energía, el sistema puede proporcionar energía aun en condiciones de nubosidad o de noche. Actualmente la

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solución más utilizada es el uso de un tanque de almacenamiento de agua/vapor o sales fundidas que acumula la energía para ser distribuida en otro momento. Otra aplicación utilizada en tecnología de torre es la hibridación o combinación con otros sistemas de generación de vapor, como puede ser la biomasa. Para la instalación de plantas de tecnología de torre, existen ciertos requerimientos, como: •

•

• •

El clima (DNI, GHI). La viabilidad económica depende de la radiación de la ubicación de la torre. La orografía: una superficie plana facilita las labores de diseño y construcción del campo solar. Disponibilidad de agua, con cierta abundancia. Disponibilidad de conexión eléctrica a la red.

Para unas condiciones de radiación en torno a los 2.120 kWh/m2 y año, que es el caso de una zona de irradiación IV (4,8 kWh/m2), se precisa una ocupación de terreno del orden de 100 ha para generar 20 MW eléctricos. Ello da lugar a una ocupación de 5 ha/MW(e). Una radiación de 2.120 kWh/m2 y 2.210 h/año de insolación equivale a una potencia de la radiación solar de 0,96 kW/m2. Como que la eficiencia de la conversión térmica/eléctrica, hoy en día, es del orden del 15%, la eficiencia de la central es de 0,14 kW(e)/m2. Las cifras citadas (de la planta PS 10) suponen una ocupación de 0,2 MW(e)/ha, o lo que es lo mismo 0,02 kW(e)/m2. Así pues, el ratio de ocupación, con la tecnología actual, es del 14%.

Con todo, es de suponer que con el ritmo de crecimiento actual la ocupación de espacio mejorará. No obstante, manteniendo la tasa de 0,2 MW(e)/ha, para sustituir la potencia actual de 93.000 MW(e) serían precisas 465.000 ha, o 4.650 km2 (suponiendo que las centrales termosolares funcionasen 24 horas al día y el rendimiento de la ocupación fuera mejor), es decir, el 0,9% del territorio del estado español. Conviene, finalmente, hacer una reflexión. A finales de 2008 había, oficialmente, en España mas de 66.000 ha de invernaderos. Las plantas termosolares podrían estar cerca de los invernaderos por dos motivos: •

•

Podrían destinar una parte de la energía eléctrica producida a reciclar el agua. Se calcula que, de media, un invernadero consume 5.500 m3 de agua al año. Ceder el calor de condensación del vapor para calentar los invernaderos. Esto, además, abarata el ciclo de generación de electricidad.

Como muestra la Figura 36.19, es evidente que el efecto radiante se puede potenciar en función de una parábola concentradora, si bien ello, de momento, se halla limitado por la geometría de la parábola.

LOS ESPEJOS CILINDRO/PARABÓLICOS Las centrales de cilindros parabólicos en lugar de helióstatos emplean espejos en forma de cilindro parabólico. Por el foco de la parábola pasa una tubería que recibe los rayos concentrados del Sol, donde se calienta el fluido caloportador, normalmente un aceite térmico. Una vez calentado el flui-

Figura 36.19. Central de helióstatos con parábola concentradora.

La radiación solar

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Figura 36.20. Principio de funcionamiento de una central termosolar de espejos parabólicos.

do, el proceso es el mismo que el de las centrales de torre. El receptor, en el caso de la tecnología desarrollada por Schott, consta de un tubo absorbedor provisto de un recubrimiento especial e introducido en un tubo de vidrio en el cual se ha practicado el vacío. La energía captada calienta el aceite térmico que fluye por el tubo absorbedor hasta casi 400 ºC, (véase esquema en la Figura 36.20). Este aceite térmico es conducido a un intercambiador de calor en el que se genera vapor que, una vez sobrecalentado, se inyecta en una turbina de ciclo de Rankine. Los aceites térmicos especiales comienzan a degradarse a partir de los 330 ºC, no pudiendo operar por encima de los 420 ºC (a esta temperatura se degrada un 0,5% cada 100 horas, y a 430 ºC un 5,7%). A bajas temperaturas, por debajo de los 12 ºC, tiende a solidificar, con lo que deja de ser bombeable. Es obvio que el sistema será más eficiente, más compacto y barato cuanto mayor sea la temperatura del aceite. Por ello, el aceite térmico convencional se ha sustituido por el sintético (hasta 400 ºC) y ahora comienza a operarse con sales fundidas que pueden trabajar sobre los 600 ºC. En el desierto del Mojave, California, hay nueve centrales SEGS (Solar Electric Generating Station), que forman la mayor instalación solar del planeta. Las hay entre 14 MWe y 80 MWe, y su capacidad total es de 354 MWe. Son centrales híbridas, esto es, que producen electricidad a partir de la energía solar y de combustible fósil. La produc-

ción a partir de combustible fósil no puede sobrepasar un determinado porcentaje de la producción total para así tener derecho a subvenciones. En Aldeira (Granada) se está construyendo Andasol-1, una central de espejos parabólicos (tecnología SKALET 150) con las siguientes características: • • • • • • • • • • • • • •

Insolación: 2.200 kWh/m2 año. Área de ocupación de terreno: 195 ha. Área de ocupación de los espejos parabólicos: 510.000 m2 (51 ha). Radiación normal directa anual por unidad de superficie: 2.201 kWh/m2. Energía incidente sobre los espejos: 1.122.510.000 kWh/año. Energía al vapor (energía útil térmica): 464.703.000 kWh/año. Rendimiento (radiación solar/energía térmica): 41,4%. Energía eléctrica: 181.831,000 kWh/año. Rendimiento (energía vapor/energía eléctrica): 39,1%. Rendimiento global (radiación solar/energía eléctrica): 16,2%. Potencia eléctrica del alternador: 49,9 MW (e). Horas efectivas de operación al año a plena carga: 3.644 h/año. Capacidad de almacenamiento de calor: 7,5 horas a plena carga. Dos torres para el almacenamiento térmico (28.000 t de sales fundidas) de 14 m de altura y 36 m de diámetro.

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Hay que tener en cuenta que, a pesar de encontrarse en una de las zonas de mayor insolación de la península, la radiación media horaria por metro cuadrado es de 6,03 horas (2.201 kWh/m2/365 días/ año), a las que habría que sumar 7,5 h/día. En total 13,7 h/día, lo que representa, aproximadamente, un 56% de las horas del día (las horas del año son mas complicadas de calcular ya que en verano las horas de insolación son muchas mientras que en invierno son cortas). Es evidente que empleando una capacidad de almacenamiento variable a lo largo del año se podría dar servicio las 24 horas del día (siempre que no haya nubes; además hay que tener en cuenta que siempre pueden funcionar como sistemas híbridos: biomasa). En esta tesitura y suponiendo una insolación del 90% del año, los parámetros de funcionamiento, serían: • • • • •

Área de ocupación de terreno: 195 ha. Área de ocupación de los espejos parabólicos: 510.000 m2 (51 ha). Capacidad de almacenamiento de calor: la necesaria para cubrir las 24 horas del día. Energía eléctrica producida al año: 393.411 kWh/año. Ratio energía/ocupación terreno: 2.017 kWh/año y ha.

En Alcázar de San Juan (Ciudad Real) se ha presentado el proyecto Integral Solar ASTE, que con 230 MW supondrá el mayor centro de generación eléctrica basado en tecnología solar de Europa, y cuya entrada en funcionamiento está prevista para 2011. Se trata de un complejo de cuatro instalaciones solares termoeléctricas de 50 megavatios cada una, con tecnología de cilindros parabólicos y almacenamiento térmico de ocho horas, lo que permitirá que las plantas sean perfectamente gestionables. El proyecto se completa con una instalación de 30 megavatios solar fotovoltaica de última generación con paneles fotovoltaicos ligeros y seguidores solares de doble eje con los más avanzados sistemas de control para optimizar la energía producida, y con el mínimo impacto visual del complejo. El proyecto ASTE lleva asociado un ambicioso programa industrial de producción de equipos tecnológicos para las instalaciones de ASTE y otras plantas en España y el extranjero, así como un laboratorio de I+D+i, con zona de ensayos y

certificación, y se completa con aulas interactivas, cursos periódicos especializados de divulgación tecnológica en colaboración con la Universidad de Castilla-La Mancha, y un amplio programa de formación de profesionales de carácter nacional e internacional, que harán de ASTE un foco de atracción permanente de tecnología solar mundial. El proyecto supone una inversión de más de 1.500 millones de euros, la contratación de más de 400 profesionales y 60 puestos directos para la operación y mantenimiento de las instalaciones, una vez concluida su construcción. ASTE proporcionará la energía equivalente al consumo anual de 380.000 familias, y evitará la emisión a la atmósfera de 800.000 toneladas anuales de CO2, una apuesta decidida por el futuro y la preservación del medio ambiente. El grupo Electronor y Aries han puesto en marcha el proyecto Astexol-2, en Extremadura, con una potencia de 50 MW, que ocupará una superficie de 160 hectáreas y contará con un total de 209.000 espejos parabólicos. El proyecto Manchasol-2, promovido por el grupo ACS y Cobra, ocupará una superficie de 200 ha, con un total de 624 colectores (510.120 m2), es decir, el ratio terreno/espejos es del orden de 3,9. La planta dispondrá de sistema de almacenamiento para 7,5 horas tras la puesta del sol.

PARÁBOLAS CONCENTRADORAS Los sistemas de parábolas concentradoras, conocidos también como disco-Stirling por el inventor del motor generador que emplean, son adecuados para la generación descentralizada de energía eléctrica a partir de la energía solar y generalmente tienen una capacidad de 10 a 50 kW cada uno. El concentrador parabólico sigue al Sol continuamente, reflejando los rayos paralelos entrantes sobre su punto focal. El intercambiador de calor solar situado en la zona focal del concentrador absorbe la radiación solar concentrada, calentando el medio caloportador (helio o hidrógeno). Un motor Stirling convierte este calor en energía mecánica, que es a su vez transformada en energía eléctrica por un generador acoplado directamente al eje del motor. Los principales componentes de un sistema disco-Stirling son el concentrador parabólico, el

La radiación solar

motor Stirling y el sistema de seguimiento solar. El concentrador es uno de los elementos clave del sistema disco-Stirling. Se compone de facetas tipo “sándwich” fabricadas de plástico reforzado con fibra de vidrio, donde se fijan espejos de vidrio delgado a la superficie con pegamento, garantizando una alta reflectividad permanente del 94%. En contraste con los motores Otto y diesel, que son de combustión interna, en el motor Stirling el aporte energético se realiza a partir de una fuente de calor externa. Esto es, convierte el calor solar en energía eléctrica a una temperatura de trabajo de 650 ºC o más y con una eficiencia global del 30% al 35%. A este sistema también se le puede integrar un quemador de gas al receptor para asegurar la generación de energía eléctrica las 24 horas al día. El seguimiento solar continuo está controlado por ordenador y puede ser monitorizado, operado y diagnosticado a distancia desde cualquier lugar mediante Internet. Los discos parabólicos han evolucionado, tanto en EE UU como en Europa hacia la construcción de unidades autónomas conectadas a motores Stirling situados en el foco. Los sistemas discoStirling han demostrado la mayor eficiencia de conversión de radiación solar en energía eléctrica con valores máximos del 30% y hasta un 25% de promedio diario en unidades de 7 a 25 kW. Debido a la curvatura parabólica del concentrador y a la baja relación distancia focal/diámetro (f/D = 0,6), se pueden conseguir altas relaciones de concentración por encima de 3.000. Esto permite alcanzar muy altas temperaturas de operación entre 650 y 800 ºC, dando lugar a elevadas eficiencias en el motor Stirling. La superficie cóncava del concentrador está cubierta por espejos de vidrio de segunda superficie con su correspondiente curvatura parabólica o bien por espejos delgados o polímeros metalizados de primera superficie soportados sobre una estructura de fibra de vidrio o de membrana tensionada. Los receptores para sistemas disco-Stirling son de tipo cavidad, con una pequeña apertura y su correspondiente sistema de aislamiento. Habitualmente, se usan dos métodos para la transferencia de la radiación solar al gas de trabajo. En el primero se ilumina directamente un panel de tubos por el interior de los cuales circula

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el gas que suele ser helio, hidrógeno o aire. En el segundo método, se utiliza el concepto de tubo de calor o heat pipe, vaporizándose un metal líquido (normalmente sodio) que luego condensa en la superficie de los tubos por los que circula el gas de trabajo y refluye nuevamente al absorbedor. Los sistemas disco-Stirling tienen su aplicación muy adecuada en la producción de electricidad para autoconsumo en lugares aislados donde no llegue la red eléctrica. Como ejemplos se puede citar el bombeo de agua en pozos o el suministro de electricidad a núcleos de viviendas rurales. El rango óptimo de potencias para ser competitivo en el mercado energético estaría en el orden de unas decenas de kilowatios donde aspiraría a competir con sistemas ya comerciales como los fotovoltaicos o los generadores diesel. La experiencia operacional con sistemas disco-Stirling se circunscribe a unas pocas unidades ensayadas fundamentalmente en EE UU y en Europa, más concretamente en la Plataforma Solar de Almería. La primera generación de discos estuvo formada por configuraciones faceteadas de vidrio/ metal, que se caracterizaron por unas altas concentraciones (C = 3.000), y sus excelentes resultados, aunque a precios muy elevados (estimaciones por encima de los 300 €/m2 para grandes producciones) y estructuras muy pesadas, del orden de los 100 kg/m2. El disco Vanguard fue operado en Rancho Mirage (California) en el desierto de Mojave durante un periodo de dieciocho meses (febrero 1984 a julio 1985). Este disco tenía 10,7 m de diámetro, una superficie de 86,7 m2 y llevaba un motor/generador de 25 kWe de United Stirling AB (USAB). Este motor dispone de cuatro cilindros con un desplazamiento de 95 cm3 por cilindro. Los cilindros están dispuestos en paralelo y montados en un cuadrado. Están interconectados con el regenerador, el enfriador y usan pistones de doble acción. El gas de trabajo fue hidrógeno a una presión máxima de 20 MPa y una temperatura de 720 ºC. La potencia del motor se regula mediante la presión del gas. Con más de un 30% de conversión neta (incluyendo consumos auxiliares), este sistema posee todavía el récord mundial. Con posterioridad, entre 1984 y 1988, McDonnell Douglas desarrolló un disco con la misma tecnología, aunque con algunas mejoras. De 10,5 m de diámetro,

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Figura 36.21. Campo de espejos parabólicos con motores Stirling.

una superficie de 91,5 m2, y con un motor de 25 kWe, se llegaron a vender seis unidades que fueron operadas por compañías eléctricas. Transferido a Boeing, el nuevo prototipo ha acumulado más de 8.000 horas de operación, con un 94% de disponibilidad para irradiancias superiores a 300 kW/m2. En Europa, los principales desarrollos se han llevado a cabo por las empresas alemanas Steinmüller y Schlaich, Bergermann und Partner (SBP) y la empresa SOLO Kleinmotoren en lo que respecta al suministro del motor Stirling solarizado. Se han desarrollado ocho unidades con espejos de 7,5 a 8,5 m de diámetro que han sido ensayadas satisfactoriamente en la Plataforma Solar de Almería con más de 30.000 horas acumuladas de operación y disponibilidades por encima del 90%. Son sistemas que pretenden una significativa reducción de costes, aunque a cambio de menores rendimientos. El motor trabaja con helio a 630 ºC y 15 MPa, lo que da lugar a rendimientos del conjunto discoStirling del 20%, que son sensiblemente inferiores a los planteados por SES/Boeing. Esta tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde haya gran número de agricultores dispersos, a los cuales sería muy costoso hacerles llegar la red eléctrica. El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que,

en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. Los concentradores parabólicos son la modalidad que se emplea para otro tipo de aplicaciones como: • • •

Hornos solares, para la cocción de materiales cerámicos y hornos de fundir vidrio. Cocinas solares, para calentar todo tipo de comidas. Otras aplicaciones, como la ruptura térmica del enlace H-O-H del agua para la obtención de hidrógeno.

El proyecto Hydrosol II es la continuación lógica del proyecto Hydrosol, que tuvo una duración de cuatro años (de 2002 a 2005), en el que participaron centros de investigación y empresas internacionales. Ahora se pretende dar el salto tecnológico que permita la transferencia al entramado industrial y empresarial de la tecnología de producción de hidrógeno mediante energía solar por concentración; mientras que la hidrólisis térmica directa precisa de varios miles de grados, las reacciones diseñadas en este proyecto precisan temperaturas inferiores a los 1.400 ºC (entre 800 y 1.200 ºC), pero además, mientras la magnitud de la Hydrosol era de 10 kWth, la de Hydrosol II es de 100 kWth.

La radiación solar

ESPEJOS FRESNEL Su principio de funcionamiento es análogo al de la parábola concentradora pero usando espejos planos que envían la radiación solar hacia un espejo parabólico, tal como muestra la Figura 36.22.

Figura 36.22. Espejos Fresnel.

Casi a nivel del suelo se hallan los espejos, con ángulos diferentes, de manera que envíen la radiación solar al tubo de vidrio situado en el foco de la parábola invertida que se halla soportada por perfiles metálicos. En los modelos mas avanzados, los espejos se hallan dotados de movimiento.

PROYECTOS DE PLANTAS TERMOSOLARES EN ESPAÑA Las grandes compañías eléctricas pugnan por hacerse con los mejores emplazamientos para ubicar plantas que necesitan como mínimo un espacio de 150 hectáreas para 50 MW. España dispone de muchas zonas áridas pero no es fácil localizar un terreno baldío, extenso y suficientemente soleado. Por si acaso, las eléctricas trabajan en más de una decena de proyectos en las mejores ubicaciones, como sucedió con las crestas donde más soplaba el viento en el despegue de la energía eólica. La compañía Iberdrola, ella sola, tenía en 2008 una cartera doce plantas. De llevarlas a cabo cubriría el objetivo fijado por el Plan de Energías Renovables de alcanzar los 500 MW de potencia instalada para 2010. Acciona Energía tiene en cartera cinco emplazamientos, Endesa, Abengoa... Todas las grandes eléctricas tienen identificados terrenos idóneos en Murcia, Extremadura, Soria,

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Castilla-La Mancha, Aragón y Andalucía, y todas se han apuntado a la carrera por hacerse con una tecnología que sitúa a España en primera posición mundial. La empresa pionera en esta aventura tecnológica es Abengoa que, con el apoyo técnico del CIEMAT, ha concluido en Sanlúcar (Sevilla) la construcción del PS 10, la primera planta europea comercial de energía solar de alta temperatura (torre) con una potencia instalada de 11 MW y más de 30 millones de euros de inversión. La planta consta de una torre cilíndrica de 114 m de altura rodeada de un campo de 624 grandes espejos (helióstatos) del tamaño de 121 m2 cada uno que hacen converger los rayos del sol hacia la torre, donde un receptor transforma la radiación concentrada en energía térmica y posteriormente en vapor de agua para alimentar una turbina convencional. La PS 10 genera 24,2 GWh de energía al año y evita la emisión de 9.300 toneladas anuales de CO2. También en Andalucía, en los Llanos de Calahorra, cerca de Guadix, las empresas Gamesa y Cobra (filial de ACS) han iniciado la expropiación de más de un millón de metros cuadrados de terreno para la construcción de dos plantas termosolares (Andasol I y Andasol II) de 50 MW cada una, basadas en concentradores cilindro-parabólicos, similares a los de la planta Nevada Solar One, recientemente adquirida por Acciona en Boulder City, cerca de Las Vegas, Nevada, que con 64 MW de potencia es la mayor del mundo y empezó la venta comercial de electricidad en 2007. Las inversiones que maneja la sociedad promotora de Andasol I y Andasol II rondan los 500 millones de euros entre los espejos cilindro-parabólicos, la central térmica y los más de 180 kilómetros del tubo por el que fluye a 400 ºC de temperatura un aceite que luego produce vapor de agua. La administración extremeña ha diseñado, y autorizado, la construcción de once plantas termosolares con una potencia nominal de 550 MW y con una inversión total de 3.000 M€: • • • • • •

Majadas del Tiétar: una planta de 50 MW. Logrosán: dos plantas de 50 MW. Talarrubias: una planta de 50 MW. La Garrovilla: una planta de 50 MW. Badajoz: una planta de 50 MW. Alvarado: dos plantas de 50 MW.

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Torre de Miguel Sesmero: tres plantas de 50 MW.

Estas once plantas generarán 5.000 empleos durante la construcción y 500 empleos directos cuando entren en funcionamiento. Torresol Energy, participada por SENER y el fondo soberano de Abu Dhabi, tiene en construcción tres plantas que suman 117 MW: Gemasolar (Fuentes de Andalucía, Sevilla, con una torre de concentración de 17 MW, que ocupa 185 hectáreas y generará más de 40 GWh/año), Valle 1 y Valle 2. Muchos estudiosos sostienen que, en este momento “atravesamos la misma situación que la energía eólica hace 15 años”. Son momentos de euforia y agitación fomentados por la prima de 0,21 euros el kWh producido por energía termosolar aplicable desde marzo de 2004 y la posibilidad, introducida posteriormente por el ejecutivo, de permitir que estas plantas sean híbridas. Esto es, que puedan complementar la generación solar con una participación del 15% de gas para garantizar su rentabilidad. En Estados Unidos el límite es del 25%. Para los expertos en plantas termosolares la “hibridación con gas o biomasa” es necesaria en una etapa de transición. Otro de los puntos de interés para el desarrollo de la tecnología termosolar consiste en el uso

de las sales fundidas. El sistema receptor de sales es uno de los elementos principales de la planta SOLAR TRES y es el componente del que menos experiencia se tiene en España, siendo el propósito de este proyecto diseñar y fabricar íntegramente en España este componente y a su vez posicionar a la industria española a la cabeza de estas tecnologías. Para lograr este objetivo, SENER y el CIEMAT están llevando a cabo estudios y ensayos en la Plataforma Solar de Almería dirigidos a: validar las tecnologías de diseño y fabricación del receptor, definir los modos y procedimientos de operación para garantizar la vida del receptor, optimizar la eficiencia de la planta, obtener una eficiencia térmica máxima y minimizar los costes de fabricación, montaje y mantenimiento del receptor. Las plantas de cilindros parabólicos representan una inversión, en cifras de 2008, de 4,4 M€/ MW, una superficie del orden de 200 hectáreas en las que los espejos ocupan, aproximadamente, una cuarta parte. Las plantas de torre central son algo más económicas.

LOS ESPEJOS PARA APLICACIONES TERMOSOLARES Todo lo que gira en torno a las plantas termosolares mueve cifras gigantescas. Por ejemplo, para

Figura 36.23. Estructura de un espejo multilaminar (ALMIRR) de aluminio.

La radiación solar

una central de 50 MW son precisas 200 hectáreas de suelo, 12.000 toneladas de acero, 6.000 toneladas de vidrio, 10.000 m3 de hormigón. Las carencias de España en cuanto a esta tecnología no reside tanto en los promotores y gestores de las plantas solares termoeléctricas, donde existen grandes empresas referentes a nivel mundial, sino en la falta de fabricantes de equipos y materiales, como: los espejos, los aceites sintéticos o las turbinas. Por lo que hace referencia a los espejos, las empresas de referencia son Shott y Saint-Gobain. En 2009 ha aparecido una innovadora empresa española Alucoil con un producto innovador, que puede suponer una revolución en el panorama solar termoeléctrico. Para ello Alucoil ha fabricado un material compuesto. A diferencia de otros productos similares

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aparecidos en el pasado, ALMIRR® cuenta con unos niveles de durabilidad y resistencia a agentes externos, excelentes, gracias a un recubrimiento cerámico que lo protege de la corrosión. Se trata de novedosos espejos multilaminares de aluminio. Básicamente se componen de láminas de aluminio con un núcleo de resinas poliméricas que le confiere una extraordinaria rigidez. A diferencia de otras soluciones metálicas aparecidas en el pasado, muestra una extraordinaria resistencia a la oxidación y unas cotas de reflectividad especular del espectro solar, del 89%. La Figura 36.23 muestra la composición básica de los nuevos espejos. El peso de cada espejo no supera los 2,98 kg/m2 en la versión de 2 mm de espesor y 6,9 kg/m2 con espesor de 6 mm. El espejo estándar hace 6 m de longitud por 1,25 m de ancho.

Chimeneas solares En la chimenea solar la radiación del sol calienta el aire que se encuentra debajo de una gran cubierta de vidrio o plástico transparente abierta en su contorno y con una ligera pendiente elevándose hacia el centro. Esta cubierta y el terreno forman un gran colector que calienta el aire. En el centro de la cubierta se sitúa una gran chimenea con amplias entradas de aire en su base. La junta entre la chimenea y la cubierta acristalada es estanca, de esta forma el aire caliente, que es más ligero que el frío, asciende por la chimenea (up sahft). La succión provoca que

el aire caliente bajo la cubierta transparente siga entrando a la chimenea, y el aire frío exterior entre por el perímetro de la cubierta. La energía contenida en el flujo de aire se transforma en energía mecánica mediante unas turbinas colocadas en la base de la chimenea y en eléctrica mediante generadores convencionales, tal como indica el esquema de funcionamiento de la Figura 36.24. En España se ha iniciado la construcción de la torre solar de Fuente el Fresno, que será una gran torre solar de 750 m de altura y 70 de diámetro

Figura 36.24. Principio de funcionamiento de una chimenea solar.

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situada en Fuente el Fresno (Ciudad Real). Su construcción iniciada en 2007 tiene prevista la finalización en el año 2010. La planta solar tendrá una potencia instalada de 50 MW y se espera una producción de energía de 180 GWh/año, por tanto capaz de cubrir la demanda de electricidad de unas 300.000 personas. Esta producción energética ahorrará unos 300.000 barriles de petróleo y evitará la emisión de unas 180.000 toneladas anuales de dióxido de carbono. Además, junto a la torre se explotará un invernadero de 250 hectáreas. En total, se invertirán 240 millones de euros. Las empresas españolas Imasa y Campo 3 con Schlaich Bergermann (compañía alemana) se encargarán de los trabajos y luego asegurarán la explotación de la torre, con la Universidad de Castilla-La Mancha y el Ministerio de Medio Ambiente. La instalación constará de una gran superficie de plástico (casi dos kilómetros de diámetro), es decir, 250 hectáreas, con una altura de 1,85 m, donde se calentará el aire que ascenderá por la torre central a lo largo de 750 metros. El aire se va calentando, con lo que su velocidad aumenta progresivamente por la succión de la torre (cuanta más altura, mayor será la succión). Así, a pocos metros de la entrada del invernadero, la velocidad media del aire es de 3 km/h (0,83 m/s) y la temperatura de 19 ºC. Cuando ha recorrido 700 m, su velocidad ya es de 6,66 m/s y su temperatura de 27 ºC. En el momento de entrar en la base de la torre la temperatura es de 59 ºC y la velocidad de 14 m/s. En la base de la torre hay dispuestas 40 turbinas, de diez alabes cada una, con una potencia unitaria

Figura 36.25. Proyecto de torre solar.

de 1,25 MW. A medida que el aire asciende por la torre pierde temperatura y velocidad. La Figura 36.25 muestra una imagen virtual del citado proyecto que se estima que tendrá una vida útil de 60 años. Si bajo el techo de plástico se instalan depósitos de agua, que durante la noche suministran el calor que han acumulado a lo largo del día, la central puede funcionar de manera ininterrumpida durante 24 horas al día. Contrariamente a las tecnologías anteriormente descritas, esta variante permite aprovechar en este caso la radiación difusa del sol. Otro proyecto es una central de 200 MW de Nueva Gales del Sur (Australia), dotada de una chimenea hueca de 1.000 m de altura y 130 m de ancho, y de una estructura circular transparente de unos 4 km de diámetro que actuará como un gran colector. La gran masa de aire existente bajo el colector se calentará ascendiendo por la chimenea en forma de viento caliente (60 ºC) a una velocidad de 15 m/s, atravesando en su ascensión 32 turbinas diseñadas con materiales ultraligeros que generarán electricidad en la parte más baja de la torre.

LA TORRE DE ENERGÍA (“DOWN SHAFT”) La denominada torre de energía corresponde a un ingenio que funciona de forma, aparentemente, inversa a la chimenea solar. Aprovecha el aire caliente y seco y el agua dulce o de mar, algo fácil de conseguir en muchas regiones de la Tierra, para generar electricidad mediante un ingenioso sistema. Los investigadores del instituto científico Technion, de Israel, aseguran que una torre de este tipo podría ser la solución a los problemas energéticos del planeta. De hecho, se encuentran trabajando en el concepto de la energy tower desde 1983, y según puede leerse en sus publicaciones, la torre podría usarse además como un dispositivo de desalinización y podría ser capaz de revertir los efectos del calentamiento global. La torre de energía funciona gracias a un principio básico de la convección: el aire caliente asciende y el aire frío ocupa su lugar. La torre tendría unos 1.000 m de altura, un diámetro de 400 m, y aprovecharía este movimiento de las masas de aire para producir energía eléctrica.

La radiación solar

El principio consiste en pulverizar agua sobre una capa superior de aire situada encima de la torre, saturándolo adiabáticamente y, por tanto, enfriándolo (el salto térmico es de unos 5 ºC). Al enfriarse el aire pesa más, haciendo que este descienda por el interior de la estructura, pudiendo llegar a velocidades de 18 m/s, y ponga en movimiento una serie de hélices ubicadas en su interior. Estas turbinas se encargan a su vez de mover los generadores de electricidad. Lo bueno de este diseño es que puede emplearse cualquier fuente de agua disponible, ya sea de un río, del mar o simplemente la obtenida de los tubos de drenaje del agua pluvial de las grandes ciudades (el bombeo del agua puede absorber el 40% de la energía generada). El líquido se transforma en un fino spray que absorbe el calor del aire caliente de la parte superior de la torre, enfriándolo a la vez que el agua se transforma en vapor, tal como muestra la Figura 36.26.

Figura 36.26. Principio de funcionamiento de la torre de energía.

Debido a que el principio de funcionamiento de la torre de energía se basa en una masa de aire calentada por el sol, se la considera como un tipo de energía solar. Dado que es necesario disponer de una buena provisión de aire caliente en la parte superior de la torre, este concepto podría funcionar mucho mejor en climas cálidos y secos. Los investigadores predicen que la electricidad generada a partir de este método costaría sólo 0,018 €/kWh. Eso es menos de un tercio de lo que cuesta generar energía eléctrica en la actualidad.

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EL PROYECTO DESERTEC Las posibilidades que ofrece la radiación solar para generar electricidad son enormes. La Figura 36.27 muestra el mapa de isozonas de radiación. Las zonas más oscuras de la Figura 36.27 simbolizan las “ideales” que corresponden, por lo que hace referencia a la proximidad a Europa: centro de Argelia, Libia y sur de Egipto. Las zonas “muy buenas” abarcan todo el litoral atlántico y mediterráneo del norte de África y Portugal, centro y este de España, costa mediterránea francesa, Italia, países balcánicos, Grecia, Turquía, Siria, Líbano e Israel. El hecho de que las zonas más interesantes sean, precisamente, las desérticas, grandes extensiones planas de terreno sin ningún valor, las hace ideales para este cometido. Solo usando un 1% de estas áreas se podría generar le electricidad para todo el mundo. De ahí que la idea haya suscitado mucho interés hasta desembocar en un macroproyecto internacional. O, en otras palabras: todos los desiertos del mundo juntos reciben en solo seis horas más energía solar de la que utiliza toda la humanidad en un año entero. A mediados de julio de 2009, un grupo de grandes empresas europeas, incluyendo bancos, presentaron en Múnich el proyecto DESERTEC, que consiste en la construcción de grandes plantas termosolares en el norte de África y sur de Europa para la producción a gran escala de este tipo de energía eléctrica. El primer acuerdo consistió en crear la empresa Desertec Industrial Initiative (DII). El objetivo consiste en crear centenares de plantas termosolares, básicamente en el Sahara. Es obvio que el proyecto presenta sus claroscuros. España, como se demuestra en este mismo capítulo, puede autoabastecerse por sí misma, pero no Francia ni Alemania y es evidente que el sol brilla más en el Sahara, lo que se traduce en que una instalación solar será más efectiva en el Sahara que en España. Otro tema es el geoestratégico. Si España es dependiente del petróleo, instalar centros de producción de electricidad en estos países todavía acrecentará más la dependencia energética. Algunas voces críticas del sur del mediterráneo han dicho que si Desertec va a ser un intercambio de tecnologías y mano de obra colaborarán, pero no están dispuestos a una nueva colonización de África.

630


Figura 36.27. Mapa de zonas de radiación en el planeta.

Desde el punto de vista técnico el uso de la turbina de vapor presenta un punto débil: la necesidad de agua, si se va a usar una torre de refrigeración para la condensación del vapor. Como el agua escasea en estos lugares se debe emplear aire, la aerorrefrigeración, pero en lugares tan calien-

tes, al menos durante las horas de sol, este sistema se halla al límite y será preciso acudir a sistemas especiales (también pueden ser solares) de enfriamiento del aire para conseguir una temperatura que permita la condensación del vapor.

Energía fotovoltaica La energía solar fotovoltaica se basa en la utilización del diferencial de potencial generado por el flujo de electrones que se produce al incidir la luz sobre unos semiconductores. De esta forma se genera electricidad a partir de las radiaciones solares. Durante los últimos años ha experimentado un prometedor crecimiento, debido no solo a las favorables condiciones españolas para el aprovechamiento de las radiaciones solares, sino también a las demandas ciudadanas y a las primas. La palabra fotovoltaico procede de photo, luz y voltaico, electricidad, y significa electricidad producida a través de la luz. El efecto fotovoltaico se basa en la capacidad de algunos semiconductores, como el silicio, de generar directamente energía eléctrica cuando se exponen al bombardeo fotónico. H. Hertz, en 1870, construyó una primera célula fotovoltaica de selenio con un rendimiento que no alcanzaba el 2%. En 1940 se desarrollaron las primeras células de silicio monocristalino de alta pureza con rendimientos del 6%.

Los fotones pueden ser absorbidos o reflejados. Cuando es absorbido, la energía del fotón se transfiere a un electrón de un átomo de la célula. Con esta energía, el electrón es capaz de escapar de su órbita dando lugar a una corriente eléctrica. Las células solares se fabrican a partir de materiales semiconductores, esto es, materiales que actúan como aislantes a bajas temperaturas y como conductores cuando se aumenta la energía. El electrón, una vez libre, deja detrás de sí una carga positiva llamada hueco. El movimiento de los electrones y huecos en direcciones opuestas genera una corriente eléctrica en el semiconductor capaz de circular por un circuito externo y liberar de él la energía cedida por los fotones al crear los pares electrón/hueco. Para separar los electrones de los huecos e impedir que restablezcan el enlace, se utiliza un campo eléctrico que hace que ambos circulen en direcciones opuestas, dando lugar a una corriente en el sentido del citado campo eléctrico.

631

La radiación solar

Los fotones con menor energía que la energía de la banda prohibida, o gap, no interaccionan con el material, resultando transparentes. Sin embargo, los electrones con mayor energía que el gap pueden interaccionar con los electrones de los enlaces covalentes, rompiendo enlaces y creando pares electrón/hueco (o suministrando la energía necesaria para que un electrón de la banda de valencia pase a la banda de conducción). Cuanto más energético sea el fotón, más rápidamente es absorbido. Los semiconductores efectivos para su utilización en aplicaciones fotovoltaicas (FV) tienen energía de gap entre 1 y 1,6 eV (1 eV es igual a la energía que adquiere un electrón sometido a una diferencia de potencial de 1 voltio, en el vacío). Los gaps de los elementos FV más comunes son: • • •

1,1 eV para el silicio. 1,43 eV para el arseniuro de galio. 1,7 eV para el galio-aluminio.

El espectro solar, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, cubre el rango entre 0,5 y 2,9 eV. Por ejemplo, la roja tiene una energía de 1,7 eV y la azul 2,7 eV. Cerca del 55% de la energía de la luz no puede ser utilizada, para fines FV, ya que su energía es inferior a la del gap o tiene un exceso de energía. Por lo tanto, cuanto mayor sea la cantidad de fotones que golpean la célula, tanto más numerosas serán las parejas electrón-hueco producidas y, en consecuencia, más elevada la cantidad de corriente producida. La Figura 36.28 esquematiza el principio de funcionamiento del efecto fotovoltaico.

En el caso de que el material semiconductor sea el silicio, una de las zonas, llamada tipo n, se dopa (impurifica) con fósforo que tiene cinco electrones de valencia, uno más que el silicio, y es una región con una concentración de electrones mucho mayor que la de huecos. La otra, la denominada tipo p, se dopa con boro, que tiene tres electrones de valencia, una menos que el silicio, y es una región con mayor concentración de huecos que de electrones. Con objeto de aumentar el rendimiento de la FV se lleva a cabo un proceso de texturización de la superficie frontal, consistente en la formación de micropirámides superficiales que minimizan la reflexión del silicio pulido. Además, esta cara se cubre con una capa de material antirreflectante con el propósito de aumentar el porcentaje de energía solar absorbida. Los sistemas fotovoltaicos se basan en la captación de fotones de la luz solar para transformarlos en una corriente continua de electrones, existiendo varias modalidades de semiconductores.

CLASIFICACIÓN DE LAS CÉLULAS FV A partir del hecho que es posible llevar a cabo muchos y diferentes tipos de uniones heterogéneas con semiconductores, la clasificación se centra en aquellos dispositivos de uniones n-p en semiconductores (que forman un grupo mayoritario de los que ya existen en la actualidad) aunque algunas de las propiedades son igualmente aplicables al resto de los sistemas.

Figura 36.28. El efecto fotovoltaico.

632


Por materiales empleados

En función del número de elementos que configuran los materiales de fabricación se puede hacer una primera clasificación básica. •

•

•

De material sencillo. El material más usado es el silicio, si bien otros elementos han demostrado su potencial sin haber estado usados como materiales FV, como el germanio y el selenio. Compuestos binarios. Los que han estado investigados han sido muchos, aunque los más habituales han estado CdTe, GaAs, InP, CdS, Cu2S. Y, en general compuestos por elementos de las columnas III y V de la tabla periódica. Compuestos ternarios. De entre ellos hay que destacar alguno como el AlGaAs y los compuestos de estructura de calcopirita basados en el cobre como CulnSe2, CuInS2 y CulnTe2. De estos por su utilidad práctica y buenos rendimientos, hay que resaltar el CulnSe2. De hecho la lista de combinaciones en muy larga.

La elección de unos u otros depende de las características ópticas que demuestren en particular por la amplitud del “gap” de energías y coeficiente de absorción, las propiedades electrónicas, las impurezas, etc. Por la estructura interna de los materiales.

En referencia a la estructura cristalina, o no, de los materiales, la clasificación se puede establecer como: •

•

Monocristalinos (acrónimo m-Si). La célula se hace crecer y se opta por un cristal único. Una vez tallada en obleas o láminas, se realizan las difusiones de impurezas. Los más típicos son Si, AsGa, InP, CdTe. En general, tienen muy buenas características pero los gastos de fabricación son elevados. Multicristalinos (acrónimo mc-Si). En beneficio de una reducción de los gastos de fabricación, la estructura está formada por una unión de gránulos o monocristales de una medida (desde pocos milímetros hasta

•

•

•

centímetros, apreciables a simple vista). La orientación cristalina de estos grandes es totalmente aleatoria, lo que obviamente, va en detrimento del rendimiento. Dentro de esta categoría se pueden citar los microcristalinos (acrónimo Pc-Si). Policristalinos (acrónimo pc.Si). El hecho de haber estado fabricados a partir de un líquido, con etapas de calentamiento y enfriamiento, de manera que crezcan los cristales (entre 1 Pm y 1 mm), propicia que tengan mejor rendimiento que los anteriores. Se consiguen láminas finas (capa fina). Dispositivos híbridos. Se fabrican a partir de capas o substratos mono cristalinos sobre los que se depositan un segundo material con estructura policristalina por medio de técnicas de capa fina. Por ejemplo: la n-CdS/p-InP (depositada sobre InP), o la n-CdS/p-CdTe (sobre CdTe). También se han utilizado capas finas (policristalinas) de silicio como alternativa a los procesos de difusión. Amorfos. El único material empleado de esta naturaleza, en estos momentos, es el silicio, normalmente con incorporación de hidrogeno durante el proceso de fabricación. El sacrificio en el rendimiento es muy acusado por tal de obtener un coste muy bajo de fabricación. Uno de los problemas es la degradación observada al cabo de los primeros meses de funcionamiento que provoca una fuerte bajada del rendimiento.

TEXTURIZACIÓN DE LAS CÉLULAS La texturización consiste en la creación sobre la superficie frontal de la oblea de unas micropiramides que permiten que, una parte de la luz reflejada vuelva a incidir, de nuevo en el silicio, reduciendo la reflectividad de la superficie del 30% hasta el 10%. El silicio ha de ser monocristalino. Las micropiramides se forman a partir de un ataque químico selectivo (en una disolución acuosa de NaOH o KOH al 2%, a 90 C) que deja los planos al descubierto. Los procesos de texturización y decapado dejan la superficie de la oblea oxidada (SiO2). Este óxido se limpia con HF diluido, dejando la superficie

633

La radiación solar

Figura 36.29. Texturización de la superficie de las células FV.

totalmente limpia para la difusión. Una vez limpia se ha de proceder a un rápido secado para impedir la re-oxidación.

SILICIO AMORFO Los mayores inconvenientes de esta tecnología son las menores eficiencias (del orden del 11%), la degradación de la eficiencia inducida por la luz (lo que requiere métodos complicados con las células multiunión) y los gastos del proceso Como ventajas se ha de señalar que son muy ligeras con un peso de 9 Kg/m2 y relativamente flexibles. Hoy en día las ventajas y inconvenientes dan como resultado que, a igualdad de superficie la energía captada es casi la misma que la conseguida por una célula de silicio cristalino. La Tabla 36.3 muestra la evolución de la eficiencia desde la primera célula fabricada del año 1976, hasta el 1997.

SISTEMA MULTIUNIÓN Los dispositivos FV generalmente utilizan una sola unión o “interfacie” fotovoltaicos para crear el campo eléctrico en el semiconductor. En una célula de este tipo nada más los fotones con una energía mayor o igual al gap del material del que están formada la célula pueden liberar un electrón en el circuito externo. Un sistema para superar esta limitación es el uso de las multicapas con diferentes valores de la banda prohibida. El silicio amorfo tiene un gap de 1,7 eV y su coeficiente de absorción es tal que la respuesta de una célula solar de estructura p-i-n (espesor de la capa “i” de 0,6 Pm) esta restringida por debajo de longitudes de onda de 750 nm. Esto supone que también queda restringido el valor máximo del Jsc, aproximadamente, a 19 mA/cm2. Con el objetivo de mejorar la eficiencia es preciso desarrollar alianzas con gaps ópticos que sean mayores y menores que el del Si-H y utilizarlos en montajes multiunión.

Tabla 36.3. Evolución de la eficiencia de las células FV. Año

Tipo

Eficiencia

1976

Primera célula solar p-i-n

2%

1977

Célula MIS

5,5%

1980

Célula a Si-H fluorado

6,3

1981

Capa p de silicio amorfo

1982

Célula solar p-i-n

10,1%

1985

Célula solar p-i-n

11,5%

1986

Célula solar en super cámara

11,7%

1987

Célula p-i-n con interfase gradual

11,9%

1987

Célula capa p microcristalina

12%

1992

Célula p-i-n con capa desvanecida

13%

634


Tabla 36.4. Eficiencia y degradación de las células FV de Si amorfo. Jsc (mA/cm2)

Voc (V)

FF

Eficiencia %

Inicial

15,6

0,983

0,692

10,6

Estabilizada

15

0,952

0,642

9,2

Estructura a-Si:H a-Si:H/a-SiH

a-Si:H/a-SiHGe:H a-Si:H/a- SiHGe:H/aSiGe:H

Inicial

7,9

1,89

0,76

11,4

Estabilizada

7,9

1,83

0,70

10,1

Inicial

10,67

1,65

0,72

12,6

Estabilizada

10,61

1,61

0,66

11,3

Inicial

8,57

2,357

0,72

14,6

Estabilizada

8,27

2,294

0,68

13,0

En el proceso de estabilización se somete la célula a un ciclo de recocido de pocos minutos a 130 C. En la Tabla 36.4 se lleva a cabo un resumen. La Figura 36.30 muestra la composición de un panel FV de silicio cristalino, mientras que la Figura 36.31 corresponde a una foto de este tipo de elemento FV. En servicio, las células FV de silicio cristalino deben estar bien orientadas al Sol. En cambio, el Si amorfo es capaz de captar la radiación difusa. El Si metalúrgico que se emplea en estos captadores tiene una pureza de más del 99% (máxi-

Figura 36.30. Estructura de un panel FV de silicio cristalino.

Degradación % 13,2 11,4 11,1 11,0

mo 1.000 ppm de contaminantes) además de las siguientes características: • • •

Pureza del Si para semiconductores (máximo de impurezas 1 ppm). Si para paneles fotovoltaicos (máximo 10 ppm). Llamado silicio solar. Vida media: 40 años.

De las células fotovoltaicas que se produjeron en el año 2005, la gran mayoría (90,6%) fueron con silicio cristalino (el estado de la tecnología actual exige 12 g/W, se espera pasar a una canti-

La radiación solar

Figura 36.31. Panel FV de silicio monocristalino.

dad de silicio monocristalino, en 2010, de 9 g/W), aunque también se fabricaron con otros materiales, más minoritarios, como el silicio amorfo (4,7%), el teluro de cadmio (1,6%) o el cobre/selenio/indio (0,2%). En cualquier caso, gracias a los avances que se realicen en I+D+i, se irán fabricando paneles solares con mayores rendimientos, menos cantidad de materia prima y que incorporarán nuevas tecnologías. El desarrollo tecnológico en esta área apunta hacia los materiales orgánicos en capa fina que, por el momento, tienen eficiencias del orden del 5%. Un equipo solar fotovoltaico (ESFV), aislado de la red, se compone de cuatro sistemas cuyas funciones son producir, regular, acumular y transformar la energía eléctrica. Y que son los siguientes: •

•

•

La célula fotovoltaica propiamente dicha es una pequeña “central solar” donde se produce la conversión de la energía solar en eléctrica. Cuando se asocian varias células fotovoltaicas en un mismo panel se habla de placa o panel fotovoltaico y se encuentran encapsuladas para formar un conjunto estanco y resistente ya que tiene que estar expuesto a la intemperie. El regulador es un aparato electrónico que tiene por función regular la carga y la descarga de las baterías y protegerlas de una sobrecarga excesiva. Las baterías o acumuladores se encargan de almacenar la energía eléctrica generada

•

635 por los paneles durante las horas de insolación. Aunque tienen un aspecto que puede recordar a la de los vehículos, estas baterías están pensadas para aguantar cargas y descargas más profundas y tienen a menudo mayor capacidad. Se las llama baterías estacionarias. Las más económicas son de plomo-ácido, aunque se están empezando a imponer nuevos tipos que soportan mayores ciclos y en condiciones de usos más adversos. Los acumuladores permiten disponer de electricidad durante la noche, en los momentos de baja insolación o incluso durante varios días, si se dimensionaran correctamente y no pudieran ser recargados mediante los paneles. Debido al principio de funcionamiento, la naturaleza de la corriente producida es continua, por lo que es necesario el inversor u ondulador que se encarga de transformar la corriente continua (a 12, 24 o 48 v) generada por las placas fotovoltaicas y la acumulada en las baterías a corriente alterna (a 230 v y 50 Hz), para su uso en cualquiera de las aplicaciones cotidianas y habituales de la energía eléctrica del hogar.

La Tabla 36.5 muestra la distribución por regiones de la potencia eléctrica fotovoltaica en las diversas regiones de España, así como la energía vendida. La distribución geográfica tiene mucho que ver con: • • •

•

Las condiciones climatológicas. Las ayudas proporcionadas por los gobiernos autonómicos. La distribución geográfica. Es evidente que las grandes ciudades no presentan las mismas condiciones que los espacios abiertos. En muchos lugares de elevado consumo y gran densidad de ocupación, por ejemplo Cataluña, se impulsa la instalación de paneles fotovoltaicos en los tejados de las naves industriales.

Según la Comisión Nacional de la Energía, la potencia fotovoltaica instalada y conectada a la red en enero de 2009 ascendía a 3.207 MW. Si en enero de 2007 había 10.449 instalaciones solares fotovoltaicas conectadas a la red, en enero de 2009,

636


Tabla 36.5. Potencia fotovoltaica instalada en España y energía vendida. Comunidad

Energía vendida (GWh/año)

Potencia instalada (MW)

Andalucía

359

584

Aragón

62

118

Asturias

0

1

Cantabria

1

2

Castilla La Mancha

682

809

Castilla León

257

328

Cataluña

118

170

0

0


175

224

Extremadura

313

406

Ceuta y Melilla

Galicia

6

9

La Rioja

30

78

Madrid

24

24

Murcia

222

289

Navarra

140

152

País Vasco

11

16

Baleares

28

51

Canarias

63

93

TOTAL

2.492

3.354

según la CNE, el número de instalaciones supera las 48.500. España es, en este momento, líder mundial seguido de Alemania, en producción fotovoltaica y referente para otros países. Castilla-La Mancha es la región de España que mayor potencia tiene conectada a la red en toda España con 800 MW, esto supone un incremento del 492,5% respecto a los 135 MW registrados a finales de 2007. Andalucía ha sufrido un incremento de un 774% en el último año con respecto a 2007. El crecimiento le ha permitido alcanzar el segundo puesto a escala estatal. En tercer lugar se encuentra Extremadura, con 406 MW. Aproximadamente ha aumentado en un 680%. Según datos de la Comisión Nacional de la Energía (CNE), en octubre de 2008 se habían superado los 2.200 megavatios (MW) instalados. Esta cifra es el resultado de la información oficial remitida por las diferentes comunidades autónomas y es inferior al número real de megavatios. De hecho, el regulador reconoce que la potencia real podría rondar los 3.130 MW.

Fuentes de la Asociación de la Industria Fotovoltaica (ASIF) ven probable que la potencia instalada sea aún mayor si cabe a la reflejada por la CNE y dan por hecho que España supera ya como líder mundial a Alemania. En 2008 España se situó en el primer lugar mundial con una potencia fotovoltaica de 75,19 W/habitante, y líder mundial de cobertura de la demanda con un ratio del 1% en este año (Extremadura ha llegado al 5,23%).

NOCIÓN DE POTENCIA PICO Los rayos solares, a lo largo del día, y durante los diversos días del año no inciden de la misma manera sobre la placa fotovoltaica que además suelen ser estructuras fijas, mientras que las grandes instalaciones que forman las huertas solares están animadas de movimiento (seguidores de un eje, horizontal o vertical, y de dos ejes) para optimizar la captación de la radiación solar. Las placas fotovoltaicas se definen por medio de la potencia pico (Wp) que corresponde a la potencia máxima que puede suministrar el panel cuando los rayos solares inciden verticalmente. Así las características de un panel estándar se hallan reflejadas en la Tabla 36.6.

637

La radiación solar Tabla 36.6. Características de una placa fotovoltaica (SOLARA SM8200). Potencia

200 Wp

Potencia mínima

194 Wp

Tensión potencia máxima

28,35 V

Tensión circuito abierto

35,97 V

Corriente potencia máxima

7,07 A

Corriente corto circuito

7,78 A 0,43%/ oC

Coeficiente de temperatura Pmáx. Factor de Forma

71,66%

Medidas

1.666 x 990 x 40 mm

Número de células solares

60 unidades

Peso

20 ± 0,5 Kg

Dimensión células solares

156 mm x 156 mm

Grosor de la célula

220 μm

Grosor vidrio protector

3,2 mm

Diodos bypass

3

Garantía de potencia

26 años al 80%; 12 años al 90% CONDICIONES EXTREMAS DE TRABAJO TESTADAS

Determinación NOCT

Irradiación solar total = 800 W/m2, temperatura ambiente 20 ºC, velocidad del viento = 1m/s

Prueba continua en el exterior

60 kW/m2 de irradiación solar

Prueba de cambio de temperatura

50 ciclos de temperatura entre -40 ºC hasta +85 ºC

Prueba de resistencia mecánica

Dos ciclos de carga superficial homogénea de 2.400 Pa, colocada consecutivamente durante 1.h en la cara frontal y en la cara trasera

Prueba de granizo

Bola de hielo 25 mm de diámetro dirigida con velocidad de 23 m/s a once puntos de impacto distintos

Pruebas de humedad y calor

1.000 h con +85.ºC y 85% humedad relativa.

La tecnología de capa fina ofrece un ratio kW/ kWp superior en condiciones de alta temperatura: elevada absorción de la radiación difusa y reflejada. Esto permite a los módulos de capa fina tener una menor dependencia de la inclinación y orientación óptimas y mejor rendimiento en presencia de sombras. En cambio los módulos de silicio cristalino, logran su máximo rendimiento a partir de la inclinación y orientación óptimas y si se desvían de estos parámetros el rendimiento cae de forma más acusada. El incremento de pérdida de potencia, en %/ºC sobre 25 ºC de referencia, pasa de 0,48 a 0,25.

EJEMPLO DE APLICACIÓN DOMÉSTICA El Real Decreto 661/2007 de 25 mayo regula la actividad de producción de energía eléctrica de régimen especial y establece que las compañías eléctricas comprarán la energía producida por plantas de generación eléctrica de origen fotovoltaico al

ser esta una forma de producción energética de origen renovable. Esto se formaliza mediante un contrato de 25 años. Durante este tiempo la compañía comprará la energía producida con tarifa estipulada en el mencionado Real Decreto a 0,44038 € para instalaciones de hasta 100 kW de potencia nominal instalada, y 0,41 € para instalaciones de potencia superior pero que no superen los 10 MW. Una vez finalizado este plazo de tiempo de 25 años, se seguirá percibiendo una prima de menor cuantía, durante otros 15, años también especificada en el Real Decreto. Asimismo el Real Decreto establece una revisión de la tarifa cada año, vinculada al valor del IPC. En el caso de la energía solar fotovoltaica teniendo en cuenta que el Real Decreto 661/2007, en su artículo 36, garantiza durante los primeros 25 años un importe por kilovatio hora generado de 44,0381 céntimos de euro, y a partir de entonces a 35,2305 céntimo de euro, el resultado es que es

638


Tabla 36.7. Ejemplo de instalación fotovoltaica. Potencia pico

10

Horas insolación diarias

8,5

Energía generada

kWp

85

Factor aminorante (variación posición sol)

kWh

63%

Pérdidas diversos conceptos

18%

Energía real generada al día

43,91

Días año

365

Energía teórica generada al año

16.028

Factor aminorante (días menor insolación)

90%

Energía real generada al año Precio de venta (septiembre 2000) Facturación Gastos de operación Inversión Ocupación de espacio

sumamente rentable si también se tiene en cuenta el artículo 44.1 del citado RD, según el cual se actualizará el IPC año a año con unas reducciones de 0,25 hasta 2012 y 0,50 a partir de entonces. La amortización de la inversión en Canarias se calcula que es de unos 8 a 9 años, y entre 10 y 12 años en la península. A partir de entonces aumenta considerablemente el beneficio. Así, por ejemplo, una instalación doméstica fija de unos 56 paneles con una producción total de 10 kWp ocuparía unos 240 m2 y costaría aproximadamente 40.000 euros. Esta cantidad puede reducirse si se acoge a las subvenciones del gobierno de Canarias que pueden llegar hasta el 22% del total, para instalaciones de 10 kW o menos. La producción media anual estaría en torno a los 6.500 euros, aumentando si se encuentran localizados en la vertiente sur, y descartando todos los gastos de operación estimados en un 10/12%.

kWh/año

14.659

kWh/año

0,440381

€/kWh

6.352

€/año

760

€/año

40.000

€

240

m2

Muy rentable resulta también para las empresas, que pueden utilizar los fondos de la RIC (Reserva de Inversiones de Canarias) para la instalación de paneles fotovoltaicos en las azoteas de sus edificios o naves. Además deducirán del impuesto sobre sociedades un 10% del coste de la instalación. En realidad no hay límites de la potencia de los paneles fotovoltaicos, todo depende de la capacidad económica del cliente y del consumo dentro de la vivienda y, sobre todo, de la capacidad de evacuación de la red. El costo de los sistemas es variable. La Tabla 36.7 propone un ejemplo que sería reproducible en muchísimas viviendas. Todo esto supone unas economías indicadas en la Tabla 36.8. Las Islas Canarias se hallan situadas en el trópico, esto significa que tienen una media de insolación anual muy elevada. Por el contrario, una

Tabla 36.8. Ejemplo económico de instalación de paneles fotovoltaicos. Consumo eléctrico medio hogar español (2006)

4.752

kWh/año

Tarifa media doméstica

0,15

€/kWh

713

€/año

Generación anual

7.212

kWh/año

Autoconsumo

4.752

kWh/año

Gasto anual en electricidad CASO DE TENER INSTALADO PANELES DE 5 KW (120 m2)

Energía sobrante para la venta Precio venta de la energía Ingreso anual (sin amortizaciones)

2.460

kWh/año

0,440381

€/kWh

1.084

€/año

639

La radiación solar

comunidad como la catalana, presenta una insolación de 1.350-1.400 h/año.

• •

APLICACIÓN DE GENERACIÓN FOTOVOLTAICA A GRAN ESCALA Acciona ha construido la mayor planta de energía solar fotovoltaica del mundo (con seguidores), en la localidad portuguesa de Amareleja (Moura). La planta tiene una potencia de 46 MW y producirá 93 millones de kWh eléctricos, que corresponde al consumo de más de 30.000 hogares, y evitará la emisión de 90.000 toneladas anuales de CO2 en centrales de combustibles convencionales fósiles. La inversión realizada se eleva 261 millones de euros, las obras se han realizado en un tiempo récord de 13 meses y ocupa una superficie de 250 hectáreas. El conjunto consta de 2.520 seguidores solares de 140 m2 de superficie (13 m de largo por 10,8 m de alto). Cada uno de ellos alberga 104 módulos de silicio policristalino, de 170 y 180 W de potencia, con 262.080 módulos fotovoltaicos en el conjunto de la central solar. Los seguidores desarrollan un movimiento acimutal de 240º de giro siguiendo la parábola del Sol, con una inclinación fija de 45º. La actual legislación española obliga a los generadores de más de 100 kW a conectarse en media tensión, lo que supone un encarecimiento de la instalación (entre otras razones hay que colocar un transformador elevador). Ello trae como consecuencia que las instalaciones de 101 a 300 kW no resulten atractivas. En cambio sí lo son a partir de 300 kW. Con la tecnología de FV cristalina, 100 kW ocupan 2.000 m2 (los FV amorfos precisan el doble de superficie) y cuesta (a precios de 2009) sobre 400.000 €, es decir 4.000 €/kWp. Todo ello ha propiciado la instalación de paneles fotovoltaicos en tejados industriales. El mejor tipo de cubierta para este propósito es la plana.

OTRAS APLICACIONES DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS En los últimos tiempos han surgido innumerables aplicaciones que tienen que ver con la generación de electricidad de origen fotovoltaico. A título de ejemplo se citan tres casos: •

Una aplicación sobre residuos industriales.

Una aplicación tecnológica para la aviación. Una aplicación para aprovechar tejados de diversa geometría.

Aplicación sobre residuos A medida que crece la presión ambiental y aumentan los precios de los vertederos, la vitrificación despunta como una tecnología que permite tratar de forma ambientalmente correcta los residuos peligrosos de manera segura, lo que se traduce en una posibilidad, más allá de inertizar, de valorizar, es decir, transformar el residuo en un material de construcción vendible. La minería metálica es quizás la mayor productora mundial de residuos peligrosos pero también se puede citar la industria de tratamiento de superficies, los amiantos, las cenizas resultantes de innumerables procesos de conversión energética, etc. El principio de valoriación consiste en transformar, gracias a la vitrificación (capacidad de integrar nuevos elementos a la estructura atómica de un vidrio, lo que da origen a la posibilidad de tratar residuos e integrarlos como materia prima en el proceso de su fabricación; en este sentido vale la pena nombrar el famoso cristal de Bohemia utilizado para fabricación de refinados artículos decorativos y servicios de mesa, y que contiene un 24% de plomo). Los autores de este libro lideran un proyecto, IBEROEKA (de colaboración técnica/científica entre España, Portugal y América Latina), consistente en la transformación de las peligrosas cenizas de arsénico procedentes de la minería chilena del cobre para la fabricación de tejas y una posterior aplicación para convertirlas en elementos fotovoltaicos. Los principales objetivos del proyecto son: •

•

•

Reducir los costes de tratamiento de residuos peligrosos por medio de un sistema que permita su valorización (reciclaje). Mediante la vitrificación crear un soporte que se preste a la obtención de diversas formas geométricas, por ejemplo, tejas que optimicen la aplicación de insolación de la luz solar. Llevar a cabo diversas aplicaciones de semiconductores en capa fina, por medio de plasma PVD, sobre el soporte.

640 •


Estimar los costes de fabricación de elementos fotovoltaicos en serie a escala industrial.

Prototipo de avión Solar Impulse En 2007 fue presentado en Zúrich el prototipo de avión Solar Impulse, un ambicioso proyecto de ingeniería que supondrá el desarrollo de nuevos materiales, nuevas formas de gestionar la energía y un reto en su interfaz con el hombre.

Figura 36.32. Prototipo del avión Solar Impulse.

Como se ha comentado en el Capítulo 19 de la Parte III, la versión final del avión tendrá 250 m2 de paneles solares sobre los 80 m de sus dos alas. Las células solares por sí mismas no producen una gran cantidad de energía (unos 136 W/m2 y 110Wh/m2, lo suficiente para que se ilumine una bombilla). O sea, que la única manera de que sea capaz de volar largas distancias con tan poca energía es hacerlo muy ligero y muy grande. La energía se acumula durante el día en baterías de litio depositadas en las alas, a pesar de las condiciones extremas de la temperatura en las que tendrá que volar, que varían de +80 °C a -60 °C. Se calcula que la potencia media puesta a disposición en los motores por el Sol, en periodos de 24 horas, es prácticamente igual (9,2 kW) a aquella utilizada por los hermanos Wright en 1903 cuando realizaron el primer vuelo en avión de la humanidad. Pero, ¿por qué tiene que ser tan grande? Los 80 m de envergadura reducirán al mínimo la resistencia inducida y proporcionará una gran superficie para que puedan ser instaladas las células solares. La estructura ultraligera será de fibra de carbono específicamente adaptada. Las células solares ultrafinas se integrarán en las alas. Estas células no serán corrientes, sino que

tendrán una gran flexibilidad para poder adaptarse y hacer frente a las deformaciones y las vibraciones en vuelo. Además estarán encapsuladas con una película plástica protectora para garantizar su eficacia ante cualquier acontecimiento. Spray que transforma los techos de acero en placas solares Ingenieros británicos están desarrollando un spray que esparce un revestimiento de células solares nanocristalinas y convierte los techos de acero de almacenes, supermercados y fábricas, en macroplacas solares. El revestimiento está construido con nanoestructuras de óxido de titanio que imitan la fotosíntesis. Sus células solares DSSC son capaces de convertir la luz en electricidad con una eficiencia de más del 11%. El sistema, que estará listo en cinco años, podría suministrar el 5% de la energía consumida anualmente en Gran Bretaña.

PLÁSTICOS FOTOVOLTAICOS El avance de la nanotecnología y la aparición de nuevas técnicas electroquímicas para la síntesis de nanocristales con interés optoeléctrico ha hecho posible ya la fusión de materiales orgánicos e inorgánicos. Láminas o recubrimientos extrafinos, flexibles y transparentes son factibles con este tipo de materiales. El Nobel de química de 2002 recayó en investigadores que descubrieron la posibilidad, en 1977, de convertir un plástico, tradicionalmente aislante eléctrico, en semiconductor. La aplicación más conocida son los LED (diodos emisores de luz orgánicos) que los han incorporado en sus fabricados numerosas primeras marcas, como Philips o Epson, en forma de pantallas planas. Aunque para explicar el comportamiento de los semiconductores orgánicos se han utilizado analogías con sus homólogos inorgánicos, los fenómenos de creación y transporte de carga son diferentes. En el caso de los orgánicos, formados esencialmente por carbono, los enlaces son débiles y recuerda más a las estructuras amorfas de los semiconductores inorgánicos. Una de las ventajas de los plásticos semiconductores es su extremadamente fino espesor, lo que convierte a estos elementos en transparentes.

La radiación solar

Las células fotovoltaicas basadas en compuestos orgánicos se emplean en forma de “sándwich”, con el material semiconductor colocado entre dos conductores, uno transparente (óxidos de estaño dopado) y otro opaco (Al, Ag, Au, etc.). Las cuatro modalidades que en la actualidad se están desarrollando responden a los siguientes principios: •

•

•

•

Absorción de luz y creación de pares de carga positivo/negativo, ligados a temperatura ambiente por fuerzas de origen coulombiano (excitones). Creación de portadores de carga libres, positivos/negativos, a través de fenómenos de transferencia de carga entre materiales con diferentes propiedades eléctricas. Transporte de las cargas a través de los diferentes materiales evitando que se recombinen. Recolección de las cargas en los electrodos metálicos opuestos generando así una corriente eléctrica entre estos dos puntos.

641

PANELES FOTOVOLTAICOS DE CAPA FINA En el año 2000, las ventas de células solares alcanzaron los 280 MWp y, aproximadamente, se usaron 17 toneladas de silicio/MWp, dando lugar a una demanda de 4.760 toneladas de silicio por el sector fotovoltaico. Para el año 2010, con una utilización de 10 t/MWp, se estima que serán necesarias del orden de 6.300 toneladas de Si/año. Es por ello que es preciso mejorar y optimizar el material empleado, como el corte o la lámina delgada. El nombre de lámina delgada se debe a que estas células son capas finas (5-6 μm de material) depositadas sobre sustratos baratos (plásticos, vidrios). Los materiales más importantes son el silicio amorfo (α-Si), el silicio policristalino en lámina fina de teluro de cadmio (CdTe), el CuInSe2, también conocido como CIS y el AsGa. Los módulos CIGS de película delgada (thin film) no están hechos a base de células de silicio convencionales, sino que se basan en micro estructuras CIGS (cobre/indio/galio/selenio) incrustadas sobre soportes flexibles y ligeros que permiten

Figura 36.33. Composición de un panel FV de capa fina.

642


multitud de usos: ventanas, teléfonos móviles, ordenadores portátiles, coches, etc. La Figura 36.33 muestra la estructura de un panel FV de capa fina. La fabricación de células solares con esta tecnología tiene unos costes mucho más bajos que las de silicio. La producción de silicio solar necesita elevadas temperaturas que solo se consiguen con un alto consumo de energía. La fabricación de estas nuevas placas se produce a baja temperatura con consumos energéticos mucho más bajos, lo que repercute positivamente tanto en su coste como en el medio ambiente. Los más importantes son: •

•

•

El silicio amorfo: los materiales vítreos se caracterizan en que sus átomos no están ordenados, en el espacio, de una manera especial, ello da lugar a numerosos fallos de discontinuidad. No obstante, el coeficiente de absorción del Si amorfo es 40 veces superior al del Si cristalino, por tanto una capa de 1 micra puede absorber el 90% de la energía utilizable. Al margen de la reducción en el coste de fabricación, sobre todo debido a la menor temperatura precisa para la fabricación, es factible aplicarlo sobre módulos curvos y flexibles. Aunque en el laboratorio se han alcanzado rendimientos del 13%, lo normal, en paneles industriales, es el 5,5-6%. Una ventaja adicional es que, en servicio, el aumento de la temperatura se traduce en una menor pérdida de rendimiento, mientras que en Si cristalino sucede lo contrario, aumenta considerablemente. Materiales policristalinos de lámina fina: existen diversas tecnologías de deposición de capas delgadas que resultan extremadamente más baratas que el crecimiento de lingotes monocristalinos. Al igual que en el caso del silicio amorfo, este tipo de láminas pueden depositarse en capas sucesivas sobre sustratos de vidrio, plástico o superficies flexibles. Al ser la mayoría de ellas de metales (CdTe, gap 1,44 eV, CuInSe2, AsGa, gap 1,43 eV), sus propiedades de trasmisión son mejores, lo que se traduce en mayores rendimientos. Otros materiales: las células híbridas orgánicas/inorgánicas se hallan formadas por

polímeros conductores orgánicos (plásticos). Presentan elevados coeficientes de absorción, lo que permite usar muy poco material (menos de 1 μm). Sin embargo, los rendimientos actuales son muy modestos: 1-3%. Según las últimas investigaciones existe la posibilidad de pasar de los 10 gramos de silicio por Wp a 0,2 gramos, es decir una reducción de 50 veces. Para ello se debe formar, químicamente, una delgadísima capa de silicio sobre un soporte de vidrio. Al no requerir condiciones muy especiales de contorno, estos paneles pueden instalarse en un tejado aprovechando, por ejemplo, que se lleva a cabo la impermeabilización del mismo. A grandes rasgos, y siempre analizando caso por caso, son válidas las siguientes afirmaciones: •

•

Instalaciones con módulos de silicio cristalino, cuando el objetivo sea conseguir el máximo rendimiento por superficie ocupada: kWh/m2. Instalaciones con módulos de capa fina, cuando el objetivo sea conseguir el máximo rendimiento de la inversión: kW/kWp.

EL FILM SOLAR Se trata de una variedad de silicio amorfo de capa fina aplicada sobre un soporte flexible. La Figura 36.34 muestra una aplicación de film solar a la confección del tejido de un bolso.

Figura 36.34. Aplicación doméstica y portátil del film solar.

El tejido fotovoltaico, que también se fabrica en forma de chalecos o “tela” para la confección de tiendas de campaña, sirve para cargar la batería de un aparato móvil, como el teléfono, el ordenador o

643

La radiación solar

instrumentos semejantes. La Figura 36.35 muestra una aplicación industrial del mismo tipo de FV recubriendo el tejado de una nave industrial cóncava.

•

•

Las células tienen intrínsecamente una eficiencia de conversión de la luz en electricidad más alta cuando trabajan con luz concentrada. Así, una célula de silicio con una eficacia del 22,4% llega al 28,3% con una concentración de 140x. Al aumentar la eficiencia con un sistema que resulta, globalmente, más barato, se pueden usar células más caras que, a la vez son más eficientes.

También presenta sus inconvenientes: • Figura 36.35. Aplicación industrial del film solar.

• En general, a primas de 2009, según lo estipulado y actualizado por el RD 661/2007, sobre retribuciones a la generación de energía eléctrica en régimen especial: •

• • •

No es rentable, en el caso del film solar, el recubrimiento de tejados industriales con superficies de menos de 1.500 m2. El film solar es muy adecuado para tejados ligeros. Idóneo para superficies de cualquier forma geométrica. Una instalación, como la representada en la Figura 36.35, puede costar, a precios de 2009, 7.000 €/kWp.

SOLAR FOTOVOLTAICA DE CONCENTRACIÓN La concentración FV consiste en sustituir las células solares (el elemento más caro con diferencia, de los equipos FV) por sistemas ópticos, llamados concentradores que dirigen la luz sobre células más pequeñas, para que conviertan más eficazmente la energía que reciban. Los motivos principales son que la concentración puede abaratar la electricidad FV por: •

Los concentradores pueden hacerse de plástico, material muy barato, mientras que el área ocupada por las células (espacio muy caro) queda dividido por la concentración geométrica que puede ir desde 20x hasta a 400x en el caso del silicio, y de 500x para las células de GaAs.

•

Para concentradores superiores al 4-6x es preciso seguir al sol, lo que supone un encarecimiento del sistema. El aumento de la temperatura experimentada por la concentración, obliga a instalar un sistema de disipación del calor, para no reducir el incremento de la eficiencia. Los concentradores tienen eficiencias ópticas menores que la unidad.

La concentración con seguimiento (característica en los sistemas de media y alta concentración) permite un ahorro de células de silicio y son los que, por el momento dan mayor rentabilidad. Existen dos maneras de potenciar la radiación solar en una célula fotovoltaica: • •

Por sistemas ópticos, a base de colocar lupas. A partir de parábolas concentradoras.

En el caso de los sistemas ópticos, la Figura 36.36 muestra un panel experimental instalado en Castilla-La Mancha. Obsérvese que la cantidad de células situadas detrás de las lupas, a igualdad de rendimiento, es menor que en un sistema convencional, con lo que se reduce el coste de instalación.

Figura 36.36. Fotovoltaica con lupas concentradoras.

644


El otro sistema consiste en ubicar la célula fotovoltaica en el foco de una gran parábola concentradora, como la que muestra la Figura 36.37.

Figura 36.37. Fotovoltaica con parábola concentradora.

Dentro del plan estratégico Solúcar R&D, en la plataforma solar de Sanlúcar la Mayor se ha construido un prototipo de FV con concentrador. El receptor es una célula de GaAs, que es la más adecuada para aplicaciones de alta concentración. Una de las ventajas que se esperan son significativos reducciones de costes. El diseño permite reducir el peso de los soportes, lo que alivia de manera notable las cargas que produce el viento sobre la estructura.

SEGUIDORES SOLARES Un seguidor solar es un dispositivo mecánico capaz de orientar los paneles solares de forma que éstos permanezcan cercanos a la perpendicular de los rayos solares, siguiendo al sol desde el este en la alborada hasta el oeste en la puesta. Existen de varios tipos: • •

En dos ejes (2x): la superficie se mantiene siempre perpendicular al sol. En un eje polar (1xp): la superficie gira sobre un eje orientado al sur e inclinado un ángulo igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida

en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol. La velocidad de giro es de 15° por hora, como la del reloj. • En un eje azimutal (1xa): la superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo de la superficie es constante e igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano local que contiene al Sol. La velocidad de giro es variable a lo largo del día. • En un eje horizontal (1xh): la superficie gira en un eje horizontal y orientado en dirección norte-sur. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol. De forma general, se suele admitir que partiendo de la aplicación solar de un panel que sigue una inclinación de su ángulo óptimo y orientación al sur con un eje horizontal capta un 14% de más, un eje vertical un 23% de más, un eje inclinado un 15% y dos ejes un 29% más. Sin embargo, el tener un solo eje de giro y el que éste sea vertical hacen que la mecánica de los seguidores azimutales sea particularmente sencilla y robusta. Para muchos, esta ventaja compensa con creces la menor captación de radiación, por lo que son más utilizados en la práctica. Si se tiene en cuenta que el coste de instalar este tipo de seguidores puede suponer un incremento del 20 % del valor del proyecto, que supondría un incremento en los ingresos del 429, y un coste en mantenimiento prácticamente nulo, parece innegable que instalar seguidores solares resulta rentable, por lo menos en países con gran radiación solar, como España. Todas estas tecnologías requieren errores de apuntamiento mínimos (una precisión de apunte superior a 0.1º) bajo condiciones de operación muy exigentes, en los que la producción de energía queda garantizada y, por ello, también la rentabilidad de la instalación.

EL FUTURO DE LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA. ÚLTIMAS REALIZACIONES En los paneles fotovoltaicos existentes en el mercado de 2007 coinciden dos circunstancias especiales:

645

La radiación solar

•

•

•

Los que presentan mayor rendimiento, los de silicio policristalino, son muy caros y su comercialización está en función de la prima que el Estado aporta en concepto de venta de energía. Como la tendencia en la UE es la liberalización, es de suponer que, como está aconteciendo con la energía eólica, las tarifas se reduzcan. La relación eficiencia/precio. Para que la energía fotovoltaica pueda ser realmente popular, también lo debe ser el precio de adquisición de un equipo. Para ello es preciso desarrollar nuevas generaciones de captadores fotovoltaicos mucho más económicos. (A partir de 2009, las tarifas a las instalaciones FV se han reducido. No obstante, las instalaciones siguen siendo rentables. Ello se explica por el importante descenso de los precios de los paneles, sobre todo, los procedentes de la China). La nueva generación de captadores. Los modernos captadores orgánicos se pueden tejer, por tanto se pueden adaptar a cualquier geometría. Se está trabajando intensamente en el desarrollo de captadores sobre soportes estructurales (por ejemplo, esmaltes especiales sobre tejas).

La Tabla 36.9 resume las previsiones de eficiencia de los diferentes sistemas fotovoltaicos para 2015. Las recientes investigaciones derivadas de la nanotecnología permiten construir células de indio/galio/nitrógeno, con una eficiencia próxima al 50%. También se espera que la nanotecnología posibilite, de manera semejante a lo que acontece

con los LED y OLED (diodos orgánicos emisores de luz), potenciar el rendimiento de los sistemas de capa fina. Investigadores de Siemens afirman que las células solares más recientes, que pueden imprimirse sobre películas de plásticos, y son muy baratas, superarán, con un espesor de 100 nanómetros, el rendimiento del 5%. En 2008, científicos del CSIC han patentado un nuevo tipo de célula solar de In/Ga/P, que aumenta la eficiencia en un 30% con respecto a las células convencionales. El cristal fotónico está compuesto por una superficie nanoestructurada que aumenta la transmisión de la luz en el interior del dispositivo. El nuevo cristal está formado por nanoagujeros, rellenos de aire, de 200 nanómetros de diámetro, separados entre sí 600 nanómetros, formando una red periódica de simetría triangular, que alcanza un índice de refracción de 3. En el NREL (Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Denver, EE UU) se ha descubierto un tipo de nanopartículas de silicio que son capaces de liberar 2-3 electrones por fotón incidente (hasta el presente por cada fotón que incide, se libera un electrón, lo que condiciona el rendimiento). Ello supondría pasar del actual tope del 20% a un rendimiento del 60%, cifra inimaginable en el mundo de la actual energía fotovoltaica. También se han desarrollado “nanocables” de arseniuro de galio, que son capaces de absorber las radiaciones solares. A partir de estos cables es posible fabricar módulos fotovoltaicos flexibles y eficientes. Está previsto que su rendimiento supere el 20% y puedan rebasar el 40%. La empresa ABCR Laboratorios tiene previsto empezar a construir, a primeros de 2009, una plan-

Tabla 36.9. Previsiones de eficiencia, en porcentaje, de diversas células fotovoltaicas (2015). Tecnología Silicio monocristalino

2005

2010

2015

14 - 18

16 - 22

22 - 25

Silicio policristalino

13 - 16

16 - 18

20

Silicio de lámina fina

15 - 16

16 - 18

20

Célula de silicio con concentrador

24 - 36

28 - 34

38

Silicio amorfo (á-Si)

6-9

10 - 12

14

Dilselenuro de Cu-In (CIS)

10 - 11

11 - 13

14

Teluro de cadmio (CdTe)

9 - 10

11

16

10

14

16

16 - 18

18 - 20

20

Film de silicio α-Si en silicio monocristalino (HIT)

646


ta con tecnología alemana, en la localidad pontevedresa de Forcarel, que será la primera fábrica europea de producción de investigación de silicio. Gracias a las ayudas en forma de primas, muchas compañías han construido parques fotovoltaicos. Como ya se ha comentado, Acciona ha conectado a la red a finales de 2008 la mayor planta de energía solar fotovoltaica del mundo en Amareleja con 46 MW. En España está en marcha un proyecto de energía solar fotovoltaica aún mayor en Puertollano, que desarrolla la empresa Renovalia. Cuando entre en funcionamiento, la planta manchega producirá 47,6 MW. En la localidad de Olmedilla de Alarcón también existe una instalación de 60 MW, dividida en 500 pequeñas instalaciones propiedad de numerosos pequeños accionistas. Una de las investigaciones que más esperanza alberga está basada en las nanopartículas semiconductoras y nanotubos de carbono. Las nanopartículas semiconductoras, también llamadas puntos cuánticos, presentan propiedades ópticas únicas en comparación con los colorantes orgánicos tradicionales. Debido al confinamiento cuántico, estas partículas emiten luz en un rango sintonizable de longitud de onda. Es posible manipular el color de su emisión, simplemente variando su tamaño y composición química. Estas nanopartículas presentan un amplio espectro de absorción y estrecho de emisión, además de una gran sección eficaz. Existe un amplio rango de materiales que puede sintetizarse en forma de nanopartículas por métodos coloidales no hidrolíticos. De ellos el más estudiado es el CdSe, pero también se pueden sintetizar nanopartículas de CdS, CdTe, InP, GaAs, PbS, etc. Debido a los métodos de síntesis utilizados, la superficie de estas partículas está cubierta de moléculas orgánicas (ligandos) que la protege. Ahí es donde entran los plásticos, materiales poliméricos semiconductores, como potencialmente sustitutos del silicio. Los más interesantes son el poliacetileno, poliparafenileno, polipirrol, politiofeno y polianilina y derivados mediante la utilización de agentes oxidantes o reductores o técnicas electroquímicas. De la misma manera que los semiconductores inorgánicos, los polímeros plásticos pueden ser de tipo n (más electrones libres) o del tipo p (más huecos) según haya tratamiento oxidante o reductor.

CAPTACIÓN FOTOVOLTAICA EN EL ESPACIO Aunque pueda parecer un ejercicio de ciencia ficción, hace cuatro décadas EE UU (la NASA y la DOE: US Department of Energy) empezó a desarrollar un proyecto que se denomina Space Based Solar Power (SBSP), es decir, energía solar fuera de la atmósfera. La idea se basa en aprovechar al máximo los 1.366 W/m2 que llegan del Sol de forma continua, sin las pérdidas que la atmósfera provoca por reflexión, difusión, etc. Una vez convertida la energía, esta se enviaría a la Tierra en forma de haz electromagnético, y así recibir esta energía en la superficie para su uso como fuente de electricidad conectándolo a la red eléctrica existente, o en bajas intensidades, los haces serían enviados desde el espacio directamente a los consumidores. A partir de solamente un kilómetro cuadrado de superficie situada en la órbita estacionaria, en un año atraviesa una cantidad de energía similar a toda la energía contenida en las reservas de petróleo conocidas. En Marzo de 2007, la National Security Space Office (NSSO) y la Advanced Concepts Office (Dreamworks), se reconoció el gran potencial de este proyecto y su influencia no solamente energética, sino también espacial, económica, medioambiental y en la seguridad nacional. Las conclusiones, resumidas por la Academia Eisenhower para el estudio del espacio y defensa de las fuerzas Aéreas de US, fueron: •

•

•

El grupo de estudio recomienda que el Gobierno de EE UU debería organizarse de forma efectiva y así iniciar el desarrollo del SBSP permitiendo hacer su análisis más profundo y dar respuesta a las incógnitas del proyecto. Se recomienda que el gobierno de EE UU debería asumir la mayor parte de los riesgos mas técnicos y así permitir el desarrollo empresarial en torno a esta tecnología. El gobierno de EE UU debería crear un entorno legal, de políticas de facilidades y reguladoras para el desarrollo del SBSP.

EL MERCADO FOTOVOLTAICO El actual modelo FV se sustenta en las elevadas tarifas que, al igual que ha sucedido con otras

647

La radiación solar

Figura 36.38. Evolución del mercado del silicio, en kilotoneladas/año.

tecnologías de generación de electricidad de origen renovable, están reduciéndose paulatinamente. Actualmente, el kWh de origen FV es más caro que el convencional, debido al precio del silicio (también es preciso añadir que, hasta primeros de 2009, ha existido una especulación sobre el mercado del silicio, ya que no hay otra manera de explicar que el precio en los dos últimos años haya pasado de los 310 €/kg a los 100 €/kg a primeros de 2009). La meta de la energía fotovoltaica se halla estrechamente vinculada al desarrollo tecnológico, que permita la fabricación de células muy eficientes en grandes cantidades, ya que ello determinará la aplicación FV a gran escala. Según el estudio llevado a cabo por la consultora Photon Consulting, se espera que para el año 2010 la producción de silicio alcance las 110.00 toneladas. La Figura 36.38 indica que, en el lustro 2005/2010, habrá un cambio de paradigma, la aplicación mayoritaria del silicio se dirigirá al sector FV puesto que el electrónico se estancará. El método Siemens, inicialmente pensado para la fabricación de semiconductores, es un proceso químico que transforma el silicio metalúrgico en el producto volátil triclorosilano, que después se purifica mediante un proceso de destilación. En un reactor de separación, se vuelve a descomponer a 1.000 ºC en presencia de hidrógeno. Así se obtiene un silicio muy puro que se va depositando sobre varillas de silicio puro precalentado. El sistema, esquematizado en la Figura 36.39, consume mucha energía, más de 100 kWh por kg de silicio. El proceso de purificación trata de eliminar aquellos metales como Fe, Ti, Cr, Al o Ca, y los dopantes B y P, que son los más incómodos para el silicio metalúrgico. Todo este proceso, u otros que han aparecido recientemente, dan una idea de la complejidad y

Figura 36.39. Método Siemens de obtener silicio solar.

coste que supone la obtención del silicio solar. La Figura 36.40 muestra, en valores de 2006, los diversos costes de obtención. El precio de la instalación fotovoltaica, de material cristalino, ha sufrido grandes alteraciones entre 2006 y 2009, en especial debido a la especulación alrededor de la gran demanda. En líneas generales, se puede afirmar que la tecnología alemana en este periodo ha bajado algo. Así, en 2009 estaba sobre los 4,2 €/Wp, mientras que la china, en igualdad de condiciones, se situaba alrededor de los 3,0 €/Wp. Otro parámetro que afecta directamente al precio es la magnitud de la instalación. Obviamente, cuanto mayor sea, más barata resultará la instalación. A finales de 2009 se podía dar por bueno el siguiente escalado: • • • • •

4,12 €/Wp (20 kW). 3,66 €/Wp (50 kW). 3,58 €/Wp (100 kW). 3,47 €/Wp (500 kW). 3,36 €/Wp (1.000 kW).

648


Figura 36.40. Costes de obtención del silicio en e/kg.

Según la EPIA (Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica), el crecimiento mundial del sector, que ha llegado a una tasa del 40%, se estabilizará, a partir de 2010, en el 8-10 %. La industria habrá invertido, en esta fecha, 10.000 M€ para aumentar la capacidad de producción y reducir los costes de fabricación. Para 2010 la fabricación de células alcanzará los 11 GW y la película fina rozará la cuota del 25%. Los expertos consideran que se darán una serie de cambios en la industria FV, como: •

La capacidad de las plantas actuales, de 3060 MWp/año, ha de pasar a 100-200 MWp/ año.

• • •

Reducir la inversión hasta 3-3,5 €/Wp (en 2008, estaba a 4,5 €/Wp). Disminuir la mano de obra hasta 0,5 € por Wp y año. Mantener la garantía de 25 años para los productos.

En estos supuestos se estima que en 2010 se fabricarán 6.000 MWp/año en células de silicio cristalino y 1.000 MWp/año en células de película delgada. A precios de 2008, se estima que el coste de la energía FV es de 80 c€/kWh para zonas de clima templado y 40 c€/kWh para zonas de alta insolación, por lo tanto hay que recorrer mucho trecho para igualar, en lo posible, ambas cifras.

Figura 36.41. Mercado fotovoltaico mundial en 2008.

La radiación solar

Predicciones, más bien conservadoras, estiman que, para 2011, las aplicaciones de FV comerciales habrán aumentado un 30% y algo menos las industriales, 28% (conexión a red). La Figura 36.41 muestra el mercado mundial de FV, donde destaca España en el primer lugar del ranking. La Figura 36.41 también indica, en gris, los países que conceden primas a la FV. Rentabilidad

Las constantes variaciones de las primas asignadas a la generación de electricidad en régimen especial de acuerdo con el RD 661/2007, el establecimientos de cupos a la generación por parte

649

del Gobierno y la crisis económica iniciada a final de 2007, han provocado un lógico desconcierto en los inversores o, simplemente en aquellas personas que tienen previsto instalar unos paneles en el tejado de su vivienda. Frente a las numerosas posibilidades de generar energía FV que se citan en este capítulo, para instalaciones de cierto tamaño (no domésticas), el resumen de rentabilidad podría ser el siguiente: • •

El silicio cristalino, en zonas de clima soleado y claro, debe ir con seguidores solares. En caso de clima propenso a la nubosidad (preponderancia de la radiación difusa) es más adecuado el silicio amorfo.

La energía del viento

37

LA ENERGÍA EÓLICA PODRÍA ABASTECER, POR SI SOLA, LA DEMANDA ELÉCTRICA DEL ESTADO • La energía suministrada por el viento puede abastecer la demanda eléctrica de España. Como sea que el viento sopla con irregularidad, de media con 25% de las horas del año, los parques eólicos deberían distribuirse a lo largo de la geografía española. • Estudios realizados por diversas universidades afirman que, en 2030, la energía eólica podría abastecer el 30% de la demanda eléctrica nacional. Estos autores postulan, en 2040, el 33%. • En 2009, la energía eólica aportó al sistema eléctrico 35.812 GWh, lo que representó un 13,4% de la cobertura de la demanda. • La energía eólica puede alcanzar los 2.000 kWh/m2, lo que equivale a una densidad energética sobre el territorio de 8 MW/ha o 0,12 ha/MW. • La tecnología actual permite instalar, en tierra, generadores eólicos de 4,5 MW (Un parque de 200 generadores de esta potencia generaría la misma energía que una central nuclear estándar). • Cuando de repente el viento cesa se produce un cero en la red que provoca una grave distorsión en la red. Este inconveniente también está en vías de solución. Sin embargo, existen otras alternativas más sencillas. Se trata de buscar un lugar elevado, cerca del parque eólico, donde pueda instalarse un depósito con agua. Crear una central hidráulica reversible. Cuando el viento está a punto de cesar, entra en funcionamiento la central hidráulica hasta que se conecten otras centrales. • La energía suministrada por el viento puede abastecer la demanda eléctrica de España. Como sea que el viento sopla con irregularidad, de media un 25% de las horas del año, los parques eólicos deberían distribuirse a lo largo de la geografía española. • De acuerdo con el mapa eólico español, para acometer la producción del cien por cien de la energía eléctrica nacional, teniendo en cuenta un aprovechamiento medio del 25% del tiempo, haría falta ocupar el 0,15% del territorio nacional. • La tecnología de construcción de generadores ha evolucionado mucho y ya es factible que sean operativos para velocidades de aire de 3 m/s. La potencia comercial ya supera los 3 MW por generador. • Las cinco primeras comunidades autónomas en consumo eléctrico acaparan el 60,7% del consumo nacional (datos de 2006). En cambio, todas ellas juntas solo generaban, a partir del viento, el 1,2% de la energía que consumían. En este sentido otras CC AA han llevado a cabo un gran esfuerzo por instalar energía renovable.

652


• La acción del viento en el mar es mucho más favorable que en tierra. En las proximidades de la superficie del agua no existen turbulencias y el viento casi siempre sopla. La tecnología de extracción del petróleo aporta soluciones que abaratan mucho la instalación de los generadores en el mar. • En la actualidad el 50% del consumo eléctrico familiar danés proviene de este tipo de energía. • En España todavía no se ha instalado ningún parque eólico en el mar, a pesar de tener una gran longitud de costa. Los generadores eólicos offshore suelen tener una mayor potencia y los rendimientos son mayores que sus homólogos en tierra. • Una de las grandes aplicaciones indirectas de la energía eólica es la producción de agua desalinizada. Las instalaciones de ósmosis inversa deben trabajar de manera continua las 24 horas del día. La energía eólica puede accionar bombas que eleven el agua del mar hasta depósitos situados en colinas de unos 500 m, lo suficiente para que la energía hidrostática venza la presión osmótica. • Este mismo principio se puede emplear para la progresiva instalación de centrales eólicas reversibles. Es decir, cuando sopla viento se accionan bombas que elevan agua a una balsa/estanque superior. Cuando la red precisa energía unas turbinas hidráulicas generan electricidad y devuelven el agua al estanque inferior. • Existen generadores eólicos ubicados en el interior de las torres de transporte de electricidad. Desde el punto de vista de la logística las ventajas son indudables: el soporte mecánico es muy barato, no precisan puntos de conexión ni redes de transporte. Se han diseñado modelos para pequeñas torres desde 1 a 10 kW (similar a las microturbinas para los tejados). Las ubicadas en las torres de media y alta tensión pueden albergar generadores entre 20 y 200 kW. • Cada vez se diseñan módulos más pequeños de generación eólica (de 5 a 15 kW) para aplicaciones domésticas (viviendas alejadas de la red nacional) e industriales (pequeños talleres). • El consorcio Nova pretende tener, en 2020, turbinas verticales con una potencia instalada de 1 GW, para lo que es preciso disponer, antes de seis años, de una instalación de demostración a gran escala.

Introducción La generación de electricidad a partir del viento ha ido en aumento desde los primeros escarceos industriales de la década de 1980. Así los principales actores del sector eólico internacional creen, según el WindEnergy Study 2008, que la potencia total acumulada podría llegar a los 718.000 MW en un plazo de siete años, es decir, casi ocho veces la cifra alcanzada a finales de 2007 (94.000 MW). Con los nuevos mercados emergentes en todo el mundo, el estudio prevé que más de la mitad de la potencia acumulada esté instalada fuera de Europa, que hace tan solo tres años aportaba un 80% del total mundial (del 61% a finales de 2008). Aun así, las empresas que participaron en el sondeo prevén que habrá instalados 129.000 MW en Europa a finales de 2012 (había 57.136 MW a fina-

les de 2007). En el mundo, el pronóstico señala los 288.000 MW, frente a los 94.000 MW a finales de 2008. Estudios publicados en 2009, por la universidad de Zaragoza y la de Alcalá, demuestran que, en 2030, la energía eólica podría aportar el 30% (12% en 2008) de la energía eléctrica española (no lejos de la hipótesis de este libro, que postula el 33%, en 2040). Aproximadamente el 2% de la energía que llega del sol se transforma en energía cinética provocando los vientos atmosféricos. El 35% de esta energía se disipa en la capa atmosférica a tan solo un kilómetro por encima del suelo. Del resto se estima que por su aleatoriedad y dispersión solo podría utilizarse una treceava parte, cantidad suficiente para abastecer diez veces el consumo actual

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de energía primaria mundial, de ahí su enorme potencial e interés. La masa de la atmósfera es de 5,1·1018 kg (99% de N2 y O2), con una densidad de 1,3 kg/m3, lo que equivale a un volumen de 4·1018 m3 (4.000 millones de km3, véase Figura 20.1 de la Parte III), con un calor especifico medio, a presión constante, de 0,3 kcal/ºC·m3. La superficie de la Tierra es de 5,1·1014 m2. El promedio de la radiación solar, con albedo y horas nocturnas, es de 300 kcal/m2·h, lo que equivale a 1,56·1017 kcal/h o 1,36·1021 kcal/ año. La magnitud de esta radiación es tan importante que con solo 7 h y 42 minutos, teóricamente, toda la atmósfera aumentaría su temperatura en 1 ºC. En su lugar, se transforma en energía cinética. En la antigüedad no se conocían estos datos, pero lo que sí es cierto, es que intuitivamente sabían el gran potencial de esta energía. Hoy día las formas de mayor utilización son las de producir energía eléctrica y mecánica, bien sea para autoabastecimiento de electricidad o bombeo de agua. Un aerogenerador es el que acciona un generador eléctrico y un aeromotor el que mueve dispositivos, para realizar un trabajo mecánico. A diferencia de lo que puede ocurrir con las energías convencionales, la energía eólica no emite CO2 ni produce ningún tipo de alteración sobre los acuíferos, ya sea por consumo, contaminación por residuos o vertidos. Además, la utilización de la energía eólica para la generación de electricidad no representa ninguna alteración sobre el suelo, ya que no se produce ningún contaminante, ni vertidos o grandes movimientos de tierras. Las desventajas que se le señalan a la energía eólica inciden principalmente en los factores estéticos. El escaso peso específico del aire hace necesaria la utilización de máquinas de gran tamaño (60 metros de longitud de pala o más) que, al encontrarse en puntos elevados, modifican la estética del paisaje. Asimismo, el ruido que provocan los rotores de los aerogeneradores al girar, constituye una contaminación acústica normalmente de una intensidad baja (menor de 50 decibelios). En algunos casos, estos aparatos también pueden provocar la muerte de aves migratorias, haciendo necesaria su señalización y la creación de «pasillos» migratorios en los que no se pueden instalar parques eólicos.

Las ventajas de la energía eólica parece ser que superan a sus inconvenientes. La tecnología de generación de electricidad a partir de la energía eólica puede considerarse actualmente como una tecnología madura lo que facilita su uso a gran escala y difusión. Los fabricantes de aerogeneradores, especializados en esta tecnología (en especial los españoles), han mejorado el proceso productivo y conseguido reducir el precio medio de los aerogeneradores. Las turbinas eólicas se diseñan para convertir la energía del movimiento del aire (energía cinética) en energía mecánica sobre un eje. Luego esta energía mecánica se convierte en electricidad al girar el alternador. La electricidad generada se puede almacenar en baterías, o utilizar directamente. Las palas de la turbina se comportan como las alas de un avión extrayendo la energía del viento, y esta es convertida por la turbina, dependiendo de la densidad del aire, del área del rotor y de la velocidad del viento. Hay tres leyes físicas básicas que gobiernan la cantidad de energía aprovechable del viento. La primera indica que la energía generada por la turbina es proporcional a la velocidad del viento al cuadrado. La segunda ley señala que la energía disponible es directamente proporcional al área barrida por las paletas, es decir, la energía es proporcional al cuadrado de la longitud de las palas. La tercera ley, conocida como ley de Betz, indica que existe una eficacia teórica máxima de los generadores eólicos del 59%. Algunos de estos conceptos se pueden comprender fácilmente en el corto desarrollo físico de los siguientes párrafos. Así, si m es la masa de aire a una velocidad v1, que incide en la sección A barrida por las palas de la turbina, la potencia o energía cinética por unidad de tiempo del aire que entra vale Pentrada = ½ ·mentrada·v12 = ½ (U·A·v1)·v1 = ½ U·A·v13 Si v2 es la velocidad del aire a la salida, después de pasar por el círculo de barrido de la turbina, la velocidad media del viento mientras atraviesa la turbina es ½ (v1 + v2)

654


y la masa m de aire que recorre el rotor por unidad de tiempo es m = U·A· [ ½·(v1 + v2) ] La potencia del viento extraída, es decir, la aprovechada, por el rotor de la turbina eólica se evalúa por la diferencia de energía cinética por unidad de tiempo entre la entrada y la salida, que no es más que la mitad del producto de la masa m que pasa por la turbina por la diferencia de velocidad de entrada y salida, ambas al cuadrado Pextraída = ½ ·m·( v12 - v22 ) = ½ U·A·(v1 + v2) · ( v12 - v22 ) La relación o cociente entre la potencia extraída y la de entrada, teniendo en cuenta los valores anteriores, es Pextraída /Pentrada = (v1 + v2) · ( v12 - v22 )/ v13 Reordenando el termino v13 se obtiene Pextraída/Pentrada = [ (v1 + v2)/ v1 ] · [ ( v12- v22 )/ v12 ] = (1 + v2/v1) · [1 - (v2/v1)2]

Si se dibuja la gráfica Pextraída /Pentrada en función de v2/ v1, como hace la Figura 37.1, se observa que la función alcanza un máximo de 0,593 para el valor de v2/ v1 = 0,333, lo que significa que la máxima potencia que puede extraer una turbina eólica es el 59,3% de la potencia con que incide en ella el aire, siendo en este caso la velocidad de salida una tercera parte de la entrada, lo que constituye el enunciado de la ley de Betz. Esta relación de velocidades se consigue ajustando la orientación del rotor y de lo álabes. Por tanto este 59,3% es pues el máximo rendimiento teórico de una turbina que no tuviera pérdidas por rozamiento y en la que la eficacia de las palas fuera total, del 100%. En la práctica, la mayoría de las turbinas eólicas son mucho menos eficientes, y se diseñan diversos tipos para obtener la máxima eficacia posible a diversas velocidades del viento. El rendimiento práctico depende del tipo de rotor y de los diversos mecanismos que componen el aerogenerador, por lo que desglosando los rendimientos: • • • • •

Rendimiento aerodinámico de Betz: 59,3%. Rendimiento de la hélice:85%. Rendimiento del multiplicador: 98%. Rendimiento del alternador: 95%. Rendimiento del transformador: 98%.

Figura 37.1. El máximo aprovechamiento energético del aire que incide en una turbina eólica es del 59,3 % y se consigue cuando la relación de la velocidad de salida es de un tercio de la entrada.


655

Figura 37.2. Esquema de un generador eólico.

Resulta un rendimiento global de la instalación del orden del 45,9%. En la práctica, el rendimiento del aerogenerador será aún menor, obteniéndose en las modernas turbinas un rendimiento del 35% al 40% (coeficiente de potencia de la turbina), mientras que en las que se utilizaban en el año 1900 el rendimiento no pasaba del 5%. Por otro lado, la fiabilidad es muy alta siendo del orden del 96%. La Figura 37.2 muestra las partes principales de un generador eólico. Las turbinas eólicas se diseñan para trabajar dentro de ciertas velocidades del viento. La velocidad más baja, llamada velocidad de corte inferior, es generalmente de 3 a 5 m/s, pues por debajo de esta velocidad no hay suficiente energía como para superar las pérdidas de carga del sistema. La velocidad de corte superior está determinada por la capacidad de una máquina en particular capaz de soportar fuertes vientos. La velocidad nominal es la velocidad del viento a la cual una máquina particular alcanza su máxima potencia nominal. Por encima de esta velocidad se debe disponer de mecanismos que mantengan la potencia de salida en un valor constante con el aumento de la velocidad del viento. Los elementos principales de cualquier turbina de viento son el rotor, una caja de engranajes, un generador, equipo del control y monitoreo y la torre. •

Rotor: las palas del rotor se diseñan para que giren con el viento, moviendo el generador

•

•

•

de la turbina. Las turbinas de viento modernas de gran escala se equipan de rotores de tres palas con longitudes de 42 a 80 m. Caja de engranajes: los engranajes se utilizan para aumentar la velocidad de giro hasta conseguir la velocidad precisa para lograr la frecuencia eléctrica exigida. Generador: que produce la electricidad cuando hay suficiente viento como para hacer rotar las palas. La electricidad se transfiere a la siguiente etapa usando el cableado (para el almacenaje, envío a la red o para el uso directo). Las turbinas de gran tamaño generalmente contienen generadores con capacidades entre 600 kilovatios y 4,5 MW. Torre: la torre eleva el montaje de las turbinas por encima de las corrientes de aire turbulentas cerca de la tierra y permite capturar un viento de mayor velocidad. El diseño de la torre es particularmente crítico, pues deben ser tan altas como sea económicamente posible (generalmente entre 40 y 100 m), también deben ser robustas, permitir el acceso a la turbina para su mantenimiento, pero no agregar costo innecesario al sistema. Un aspecto particularmente importante del diseño de torres es la eliminación de la resonancia entre la gama de frecuencias de las palas que rotan y la frecuencia de resonancia de la torre.

656


En 2008, en el parque eólico de El Perelló (Tarragona), se instalaron generadores de 3 MW, con una altura de la torre de 90 m, con tecnología Ecotécnia-Alstom que permite generar a partir de los 3 m/s de velocidad del viento. El diámetro de las aspas es de 100 m. Está previsto que genere 6.600.000 kWh/año, la energía suficiente para abastecer a 7.500 personas al año. Gamesa ha instalado en Jaulín (Zaragoza) un generador de 4,5 MW, cuya torre mide 100 m de altura. El impacto acústico depende de la velocidad del viento. Así, un viento de 7 m/s produce 100 dB(A), y al 95% de la potencia nominal (del orden de 12 m/s) el nivel sonoro es de 106 dB(A) (En la Parte II se lleva a cabo una amplia explicación). Una instalación eólica a gran escala, llamada granja eólica o parque eólico, consiste en una colección de estas turbinas. Hay dos factores principales que se deben considerar en el momento de diseñar un emplazamiento de turbinas eólicas: la localización (dónde se ubicarán las turbinas) y la altura que tendrán las torres. •

•

•

Localización: las estimaciones exactas de la velocidad del viento son críticas en el momento de evaluar el potencial de la energía eólica en cualquier localización. Los recursos eólicos se caracterizan por una escala de clases de viento según su velocidad, que se extiende de la clase 1 (la más baja) a la clase 7 (la más alta), vease Tabla 37.1. Los desniveles de la superficie, a través de la cual sopla el viento antes de llegar a una turbina, determinan la cantidad de turbulencia que esta turbina experimentará. Los vientos turbulentos ejercen mayores tensiones sobre el rotor y se elevan, reduciendo consecuente-

mente la expectativa de vida de la turbina. Por eso, la mayoría de granjas del viento están ubicadas en localizaciones rurales, lejos de edificios, de árboles y de otros obstáculos. Una localización alejada de la red de distribución eléctrica puede llegar a ser poco rentable, pues se requerirán nuevas líneas de transmisión para conectar la granja eólica con la red. Las condiciones del suelo y del terreno deben ser convenientes para la construcción de las fundaciones de las torres. Finalmente, la elección de una localización puede estar limitada por regulaciones sobre el uso de la tierra y la capacidad de obtener los permisos requeridos por las autoridades locales, regionales y nacionales. Altura de la torre: la altura de la torre afecta a la energía que se puede obtener del viento con una turbina dada, como indica la Tabla 37.1, así como las tensiones sobre el rotor. A una altura de un kilómetro sobre la superficie, las velocidades del viento no están influenciadas por el terreno que se encuentra debajo. El viento se mueve más lentamente cuanto más baja sea la altura, con la máxima reducción de velocidad del viento situada muy cerca de la superficie. Este fenómeno, conocido como esquileo del viento, es un factor determinante en el momento de tomar la decisión sobre la altura de la torre, puesto que a mayor altura los rotores se exponen a vientos más rápidos. Además, las diferencias en la velocidad del viento entre la parte superior y la inferior del rotor disminuyen a mayores alturas, causando menor desgaste en la turbina.

Tabla 37.1. Relación de potencia y velocidad del viento según la altura. Clase

A 30 m de altura

A 50 m de altura 2

Velocidad del viento m/s

Potencia del viento W/m

Velocidad del viento m/s

Potencia del viento W/m2

1

0-5,1

0-160

0-5,6

0-200

2

5,1-5,9

160-240

5,6-6,4

200-300

3

5,9-6,5

240-320

6,4-7,0

300-400

4

6,5-7,0

320-400

7,0-7,5

400-500

5

7,0-7,4

400-480

7,5-8,0

500-600

6

7,4-8,2

480-640

8,0-8,8

600-800

7

8,2-11,0

640-1.600

8,8-11,9

800-2.000


657

El viento en tierra

Figura 37.3. Potencia de los aerogeneradores eólicos (Fuente: AEE).

El viento se origina por el desigual calentamiento de la superficie de nuestro planeta, generando movimientos convectivos de la masa atmosférica. La Tierra recibe una gran cantidad de energía procedente del Sol. Esta energía, en lugares favorables, puede ser del orden de 2.000 kWh/m2 anuales, lo que equivale a 0,125 ha/MW (e) (unas 30 veces la concentración energética de la tecnología termosolar actual). Hoy en día la forma habitual de aprovechar el viento es mediante el empleo de aerogeneradores de eje horizontal, que son máquinas con rotor a barlovento, que suelen montar tres palas, e incorporan un generador encargado de transformar la energía contenida en el viento en electricidad. Un grupo de aerogeneradores constituye un parque eólico. El avance de la tecnología ha permitido, año tras año, aumentar el tamaño de los aerogeneradores. Así, la gráfica de la Figura 37.3 muestra la evolución de la potencia media instalada en los últimos veinte años.

EL MAPA EÓLICO DE ESPAÑA España es el segundo productor de energía eólica en Europa, después de Alemania, y con unos niveles de producción muy similares a la de los Estados Unidos, también se encuentra entre los tres países que más energía produce en el mundo en este campo. Esto se debe a un marco regulatorio favorable, un mayor conocimiento de los recursos y una mejora en la tecnología que ha propiciado

una considerable reducción de la inversión inicial, el mantenimiento, y la explotación. En 2008, España tenía instalada una capacidad de energía eólica de 18.263 MW, es decir, una potencia instalada un 135% superior al parque de centrales nucleares. En 2005, el Gobierno de España aprobó una nueva ley nacional con el objetivo de llegar a los 20.000 MW de producción en 2012. La energía eólica en España batió el 19 de marzo de 2007 un nuevo récord de producción, al alcanzar los 8.375 MWh a las 17,40 horas, gracias al fuerte viento que azotó gran parte de la península. Esta es una energía superior a la producida por las siete centrales nucleares que hay en España, que juntas generan 7.742 MWh. La Figura 37.4 muestra el mapa eólico español donde se indican las isozonas de densidad de potencia eólica en W/m2. La Tabla 37.2 indica las potencias instaladas en las diferentes comunidades en 2008, según APPA. Cuando se relaciona el mapa eólico (Figura 37.3) con la Tabla 37.2 se pone de manifiesto que: •

• •

La primera y tercera comunidad del ranking no están precisamente en zonas de gran densidad de viento. No obstante ello ratifica el potencial de aprovechamiento. Navarra, en el mismo sentido que la anterior, ha hecho un gran esfuerzo. Comunidades con mucho potencial como Andalucía y, sobre todo, Cataluña, con el 3% del total, se hallan muy por debajo de sus posibilidades.

658


Figura 37.4. Mapa eólico de España: media anual de la densidad de potencia en W/m2. Tabla 37.2. Potencia instalada por CC AA hasta diciembre 2008.

:; ;:

kW

1

CASTILLA- LA MANCHA

3.430.480

2

GALICIA

3.036.880

3

CASTILLA- LEÓN

2.804.310

4

ARAGÓN

1.634.460

5

ANDALUCÍA

1.572.310

6

NAVARRA

966.530

7

C. VALENCIANA

579.000

8

LA RIOJA

438.620

9

CATALUÑA

401.350

10

ASTURIAS

214.620

11

PAÍS VASCO

189.870

12

MURCIA

148.140

13

CANARIAS

146.970

14

CANTABRIA

18.490

14

BALEARES

4.200

15

EXTREMADURA

0

16

MADRID

0

SUMA TOTAL

15.578.920

Como se ve, existe un gran potencial de aprovechamiento entre las posibilidades que brinda el mapa eólico y las potencias instaladas. En 2008,

la energía eólica aportó al sistema eléctrico 31.111 GWh, lo que representó un 11,5% de la cobertura de la demanda y 35.812 GWh en 2009 cifra que equivale a un 13,4% de la cobertura. Debido al gran tamaño de la península, esta actúa como un minicontinente y su calentamiento mayor durante el verano induce vientos generales de mar a tierra, ocurriendo lo inverso en invierno. La predominancia de los vientos por regiones es: •

•

•

•

En los litorales Cantábrico y gran parte del atlántico, submeseta Norte y depresión del Ebro dominan los vientos del cuadrante norte-oeste. En la submeseta Sur actúan con igual frecuencia los vientos del cuadrante norte -este y sur-oeste. En la depresión del Guadalquivir dominan en invierno los del cuadrante norte- Este y en verano los del cuadrante sur-oeste. En el Mediterráneo dominan los de componente oeste en invierno y al contrario en verano.

Las principales modificaciones a los vientos generales que dan lugar a áreas de elevado potencial eólico son:

659


• •

•

•

Efecto de encauzamiento: valle del Ebro y estrecho de Gibraltar. Efecto de esquina: al rodear el viento un obstáculo se logran elevadas velocidades en sus extremos, lo cual ocurre en puntos del litoral, especialmente del noroeste y extremos este y oeste de los Pirineos. Efecto ladera: al encontrar un obstáculo, como una cadena montañosa, el viento asciende y se acelera. El mapa eólico de Canarias muestra un dominio de los alisios del noroeste, especialmente en verano.

Los efectos térmicos locales ocasionan corrientes adicionales que afectan a los valores medios y a las variaciones diurnas, pero no poseen intensidad suficiente para generar un potencial eólico aprovechable. Las regiones con mayor potencial eólico son las siguientes: •

•

•

•

•

Andalucía: la zona de Tarifa posee un potencial alto en ciertas zonas, ya en explotación, y medio-alto en otras, por lo tanto candidatas para futuras explotaciones. Aragón: existen determinadas zonas con velocidades medias de 6 m/s a 10 m de altura, en el umbral de la rentabilidad actual, pudiendo llegar en total entre 10 y 50 MW. Se prevé la instalación de algunos cientos de megavatios en cuanto se produzca un abaratamiento de costes en condiciones de rentabilidad. La zona en general tiene velocidades medias en torno a los 4,5 a 5,5 m/s. Canarias: el alto potencial eólico de esta región está concentrado en las costas y se debe a los alisios, pudiéndose confirmar la rentabilidad actual. La mayor problemática de la zona es la escasa extensión de las redes insulares que dificulta la penetración eólica. Castilla y León: amplias zonas están inmediatamente debajo del umbral de la rentabilidad, pudiendo ser rentables si bajan los costos, planteando pocos problemas por la disponibilidad del terreno, la baja densidad de población y la poco compleja orografía. Cataluña: las zonas de mayor potencial se

•

•

encuentran en los Pirineos y serían rentables, pudiendo llegar entre los 20 y 50 MW en el umbral de rentabilidad actual. A primeros de 2009, la compañía Gamesa tramitó la construcción de 32 miniparques (de 9 MW) eólicos en el Alt Empordá (Girona). Se trata de los molinos mayores de España puesto que cada uno de ellos dispone de un generador de 4,5 MW, con 120 m de altura y palas de 64 m. La empresa invertirá 324 M€ (1,2 M€/MW) y creará 100 empleos directos. La energía generada se cifra en 720 GWh/año. Galicia: es la región con mayor potencial en la península, estimándose que pueden instalarse de inmediato varios parques rentables, cada uno de varias decenas de MW, hasta llegar a los 500-700 MW con rentabilidad. País Vasco: algunos puntos caen dentro del dominio de la rentabilidad.

FUERZA DEL VIENTO Y ENERGÍA ELÉCTRICA Los primeros generadores adolecían de un problema grave: las oscilaciones de la fuerza del viento repercutían en la calidad de la corriente entregada. Este problema se subsanó a base de electrónica de potencia. El segundo problema parece más grave. Cuando de repente el viento cesa se produce un cero en la generación del parque que provoca una grave distorsión en la esta. Este inconveniente también está en vías de solución. Sin embargo existen otras alternativas más sencillas. Se trata de buscar un lugar elevado, cerca del parque eólico, donde pueda instalarse un depósito con agua. Crear una central hidráulica reversible. Cuando el viento está a punto de cesar, entra en funcionamiento la central hidráulica hasta que se conecten otras centrales. La Tabla 37.3 muestra, en valores de 2006, la energía eléctrica consumida por las diversas comunidades autónomas y el porcentaje de generación de origen eólico. De la Tabla 37.3 hay que destacar que, si bien los datos son de 2006, en la actualidad los porcentajes han aumentado algo: •

Las comunidades de mayor consumo son las que menos generación de origen reno-

660


vable producen. Así, las cinco primeras CC AA, que suponen el 60,7 del consumo español, tan solo generan el 1,2% de origen eólico.

•

Por el contrario, comunidades de tamaño medio y pequeño han hecho un gran esfuerzo para abastecerse de EE RR, como Navarra o La Rioja.

Tabla 37.3. Consumo eléctrico por CC AA y porcentaje de producción eólica sobre el consumo (datos 2006). Fuente: REE. CC AA

Consumo GWh/año

&;:

Cataluña

46.442

0,6

Andalucía

38.985

2,7

Madrid

30.598

0

País Valenciano

26.297

1

País Vasco

20.696

1,6

Galicia

19.199

31,1

Castilla-León

13.433

28,6

Castilla-La Mancha

11.408

34,5

Asturias

10.938

3,2

Aragón

10.857

30,3

Canarias

8.886

3,2

Murcia

8.141

1,1

Baleares

5.877

0,1

Navarra

5.332

42,2

Cantabria

4.811

0

Extremadura

4.431

0

La Rioja

1.761

50,9

TOTAL

268.088

El viento en el mar La energía eólica marina es, al igual que la eólica terrestre, una aplicación de la fuerza producida por el viento. La diferencia respecto a la obtenida en tierra radica en que los aerogeneradores se ubican mar adentro. Su coste de instalación es muy superior al de las zonas terrestres, pero también su vida útil es mayor. Los costes de las cimentaciones y anclajes han disminuido de forma espectacular en los últimos años, con lo que el precio del megavatio de potencia se acerca en valor al de otras energías renovables. Dinamarca es el país que inició la energía eólica marina y en sus mares se encuentran en la actualidad los mayores parques de aerogeneradores. Es preciso hacer constar que la plataforma de la costa báltica es muy poco profunda, lo que facilita la instalación de generadores eólicos. La energía eólica marina se muestra como una alternativa prometedora sobre todo en países con

una alta densidad de población, lo que reduce las posibilidades de hallar un emplazamiento apropiado en tierra. En el mar, el viento se encuentra con una superficie de rugosidad variable, las olas, y sin obstáculos como islas, islotes, etc., lo que implica que la velocidad del viento no experimenta grandes cambios, por lo que pueden emplazarse torres más bajas que en la superficie terrestre. Además, el viento es, por lo general, menos turbulento que en tierra, con lo que se amplía el periodo de trabajo útil de un aerogenerador. La baja turbulencia del mar se debe, ante todo, al hecho de que las diferencias de temperatura a distintas altitudes de la atmósfera que se producen sobre el mar son inferiores a las de tierra adentro. En la actualidad los parques offshore se sitúan en aguas poco profundas, alejados de las rutas marinas comerciales, de los emplazamientos militares


y de los espacios de interés natural u ornitológico. La distancia de la costa debe ser como mínimo de dos kilómetros para aprovechar mejor el régimen de vientos, de características diferentes a los que llegan a tierra. En un principio, los anclajes de los aerogeneradores se efectuaban con hormigón a través de la cimentación por gravedad, es decir, con la construcción en un dique seco de grandes estructuras que después se fijaban en el emplazamiento elegido y se rellenaban con grava y arena. Un diseño posterior, el monopilote, consiste en una perforación del lecho marino, de un diámetro de 3,5 a 4,5 m y una profundidad de 10 a 20 m, en la que se introduce un gran cilindro metálico que sirve de base a la torre. Los parques eólicos se conectan a tierra por cables submarinos enterrados para reducir el riesgo de daños ocasionados por equipos de pesca, anclas, etc. En zonas estratégicas del parque se colocan, entre otras instalaciones de servicio, centros de transformación que convierten la baja o media tensión en alta para favorecer así el transporte hasta la costa. Una vez en tierra, tan solo resta conectar la línea eléctrica con la red de distribución existente. El primer parque eólico marino, compuesto por once aerogeneradores, se construyó en Dinamarca en 1991 en el mar Báltico y, en 2002, tras la puesta en marcha de varios parques con distinta potencia, se inauguró el parque de Horns Rev, el más grande del mundo, con 80 aerogeneradores y con una potencia instalada de 160 MW. Tras los años de uso de energía eólica marina en Dinamarca se puede concluir que, aunque se ha requerido una importante inversión económica, la producción de electricidad es más estable y un 20% superior a la energía eólica terrestre. Además, la vida útil del parque, con un buen mantenimiento, puede llegar a duplicarse. En la actualidad el 50% del consumo eléctrico familiar danés proviene de este tipo de energía. En el resto de Europa destacan algunos proyectos, entre los que se encuentra la instalación en el Reino Unido de 3.000 aerogeneradores en sus costas este y oeste con capacidad para abastecer al 15% de la población británica. En Alemania se prevé la instalación de 6.000 MW antes de 2025 e Irlanda ha aprobado la construcción del mayor parque eólico del mundo con una producción de 520 MW, equivalente al 10% de las necesidades energéticas del país.

661

El mercado de las centrales eólicas en el mar podría alcanzar los 40.000 megavatios en 2020, la suficiente energía para abastecer a 30 millones de hogares en Estados Unidos. Las empresas que desarrollan centrales eólicas en el mar querrían, idealmente, que sus molinos de viento estuvieran situados a 32 km de la costa, donde los vientos soplan con más fuerza y por más tiempo. Esta situación ideal no se puede cumplir: instalar turbinas en aguas con más de 20 m de profundidad es muy costoso. Sin embargo, una nueva tecnología posibilita que las turbinas flotantes puedan ser instaladas en mar abierto con menos coste. El interés por instalar turbinas eólicas lejos de la costa tiene su sentido. Según un análisis del Departamento de Energía de los Estados Unidos, General Electric y el Massachussets Technology Collaborative, los recursos del viento en mar abierto en la costa atlántica y pacífica de los Estados Unidos excede a la generación eléctrica del conjunto de la industria energética de este país. Algunas empresas están dando pasos para probar sistemas ya usados en las pesadas plataformas petrolíferas o de gas instaladas en la costa. En diciembre de 2007 la empresa alemana Blue H Technologies probó la primera turbina flotante en la costa del sur de Italia. También anunció que tenía planeado instalar una turbina adicional en la costa de Massachussets, Estados Unidos. Algo parecido está haciendo la empresa SWAY, con sede en Bergen, Noruega, que tiene pensado levantar un prototipo de turbina eólica flotante en 2010. Lo curioso del diseño de Blue H es que ha apostado por una turbina con dos aspas en lugar de tres, que es lo habitual en la industria desde los años 90. Las dos aspas permiten una increíble velocidad de rotación, aunque emite mucho ruido, lo cual es irrelevante en el mar. Esa mayor velocidad de rotación proporciona doble beneficio. En primer lugar, una frecuencia de rotación entre 30 y 35 revoluciones por minuto, el doble de lo que consiguen las turbinas con tres palas. Además, este diseño es menos susceptible de sufrir las oscilaciones que provoca la acción de las olas contra la plataforma. Una rotación más rápida también significa menos par motor (la fuerza que es capaz de ejercer un motor en cada giro), lo que a su vez repercute en la estructura (rotor, generador y caja) que es menos

662


pesada. La instalación de 2,5 megavatios de Blue H pesará 97 toneladas, 53 menos que otra máquina del mercado con la misma potencia. Por otro lado, la plataforma y la turbina son más baratas de construir también. Blue H estima que sus centrales eólicas suministrarán energía a siete u ocho céntimos de euro el kWh, un precio equiparable a otras fuentes de energía del régimen ordinario. España destaca en el panorama internacional por su uso de la energía eólica terrestre, sin embargo, todavía no ha situado ni un solo generador mar adentro. Según Greenpeace, en la península Ibérica sería posible crear por este medio 25.000 MW de potencia hasta el año 2030, con lo que se evitaría la emisión anual de unos 25 millones de toneladas de CO2. La aprobación del Real Decreto 1028/2007 de 20 de julio permite la autorización de instalaciones de generación eléctrica en el mar y significa un gran avance en cuanto a la capacidad eólica que España tendrá disponible durante la próxima década. Se fija un límite mínimo de 50 MW de potencia para autorizar instalaciones eólicas que pretendan

Figura 37.5. Parque eólico marino.

ubicarse en el mar. Solo con carácter extraordinario, para un proyecto o proyectos particulares, se habilita al ministro de Industria, Turismo y Comercio para modificar, hasta en un 20% al alza o a la baja, el límite de 50 MW para permitir una instalación o la superficie máxima en función de la densidad eólica. En cuanto a las instalaciones de generación de electricidad de origen renovable y de tecnología diferente a la eólica que pretendan ubicarse en el mar se establece un procedimiento simplificado, por tratarse en su mayor parte de instalaciones de reducido tamaño y carácter experimental. Empresas como el Grupo Capital Energy han visto una gran oportunidad para construir los primeros parques eólicos en el litoral español. Junto a SEPIDES han llegado a un acuerdo para el desarrollo de este tipo de parques eólicos. Acciona Energía presentó hace ya algunos años el estudio para la instalación de un parque eólico marino situado entre Conil y Barbate (Cádiz). El estudio contempla la instalación de 273 aerogeneradores de 3,6 MW de potencia cada uno situados a 10 km de la costa.

663


Teniendo en cuenta que el área ocupada por los aerogeneradores no es útil, por presunción, para la navegación comercial, se ha previsto la instalación de granjas marinas en unas instalaciones que a la vez también queden resguardadas del flujo de la navegación. Como cualquier otra instalación, los parques marinos pueden presentar limitaciones. Un equipo de la RAF (Fuerza Aérea Británica) se desplazó a una remota zona de Gales para examinar los efectos de las turbinas eólicas en las señales del radar. Los aviadores descubrieron entonces horrorizados que en la pantalla del radar era imposible distinguir las aspas de las turbinas de las alas de una aeronave. La Fuerza Aérea decidió entonces advertir al Ejecutivo contra la construcción de granjas eólicas en enclaves cercanos a los radares en funcionamiento. Las objeciones del Ejército se enmarcan dentro del proceso de consultas abierto tras el anuncio del Gobierno laborista de construir un gran número de granjas eólicas a lo largo de la línea costera para alcanzar el ambicioso objetivo de producir de este modo un tercio de la energía que se consume en el Reino Unido. El Ministerio asegura que solo ahora ha descubierto la incompatibilidad de turbinas y radares y que el Ejecutivo deberá acomodarlas, esta vez, en lugares que no interfieran en el delicado terreno de la seguridad nacional.

EL MAPA EÓLICO MARINO ESPAÑOL Los Ministerios de Medio Ambiente, Medio Rural y Marino e Industria, Turismo y Comercio han aprobado, en abril de 2009, el Estudio Estratégico Ambiental del litoral español, cuya finalidad es acotar y definir las zonas aptas y las no aptas para la instalación de parques eólicos marinos. El llamado “mapa eólico marino” está suscrito mediante una resolución conjunta de las Secretarías Generales del Mar y de Energía. El objetivo de este estudio es determinar las zonas del dominio público marítimo-terrestre que, a los solos efectos ambientales, reúnen condiciones favorables para la ubicación de instalaciones eólicas marinas (a partir de ahí es preciso superponer las zonas aptas con los recursos eólicos). El mapa ha delimitado las zonas de exclusión y las zonas aptas. A su vez, para las zonas aptas se ha

establecido una gradación para la implantación de parques eólicos marinos en función de los condicionantes ambientales. El “mapa del litoral” define tres zonas: •

•

•

Zonas excluidas, donde no es posible instalar parques eólicos marinos: las áreas de Ceuta y Melilla, el estrecho de Gibraltar, buena parte del litoral atlántico andaluz, las Rías bajas, la Costa da Morte (en A Coruña), distintas zonas de la costa mediterránea (Cap de Creus, el delta del Ebro), algunos tramos del levante (costa de Castellón y manga del Mar Menor), estrechos entre la península y Mallorca y entre Mallorca y Menorca, y zonas de Canarias. Zonas aptas con condicionantes. En general el criterio es proteger la primera línea de mar y destinar la segunda zona, mar adentro, para generar energía. Zonas aptas. Se encuentran por casi todo el litoral. En particular, casi todo el litoral de Levante, no en la primera línea de mar, y las zonas del Cantábrico oriental.

Por tanto, este “mapa del litoral” constituye un mecanismo preventivo de protección del medio ambiente frente a un futuro despliegue de parques eólicos en el medio marino, de forma que, una vez publicado, las solicitudes de reserva de zona de los promotores de parques marinos solo podrán realizarse dentro de las zonas declaradas aptas. Con carácter previo a su aprobación, el estudio ha sido sometido a información pública así como al procedimiento previsto en la Ley 9/2006, de 28 de junio, acerca de la evaluación de los efectos de determinados planes y programas sobre el medio ambiente. La autorización de los parques eólicos marinos está regulada mediante el Real Decreto 1028/2007, de 20 de julio, por el que se establece el procedimiento administrativo para la tramitación de las solicitudes de autorización de instalaciones de generación eléctrica en el mar territorial.

EL DESARROLLO EÓLICO MARINO EN EL MUNDO La Tabla 37.4 expone la relación de los principales parques marinos, hasta junio de 2009.

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Tabla 37.4. Relación de parques eólicos marinos. Parque

País

MW

Turbinas

Fecha

Vindeby

Dinamarca

5

11

1991

Lely

Países Bajos

2

4

1994

Tuno Know

Dinamarca

5

10

1995

Irene Vorrink

Países Bajos

17

28

1996

Gotland

Suecia

3

5

1998

Blyth Offshore

Reino Unido

4

2

2000

Middelgrunden

Dinamarca

40

20

2001

Utgrunden

Suecia

11

7

2001

Yttre Stengrund

Suecia

10

5

2001

Horns Rev

Dinamarca

160

80

2002

Frederikshavn (1)

Dinamarca

3

1

2002

Frederikshavn (2)

Dinamarca

8

3

2003

Nysted Havmollepark

Dinamarca

166

72

2003

Roland

Dinamarca

17

8

2003

Samso

Dinamarca

23

10

2003

North Hoyle

Reino Unido

60

30

2004

Arklow Bank (1)

Irlanda

25

7

2004

Ems Emden

Alemania

5

1

2004

Hokkaido

Japón

1

2

2004

Scroby Sands

Reino Unido

60

30

2004

Kentish Flats

Reino Unido

90

30

2005

Barrow Offshore Wind

Reino Unido

9’0

30

2006

Breiting

Alemania

3

1

2006

Egmond aan Zee

Países Bajos

108

36

2006

Beatrice Demonstration

Reino Unido

10

2

2007

Burbo Offshore

Reino Unido

90

25

2007

Kemi Ajos (1)

Finlandia

9

3

2007

Lilgrund

Suecia

110

48

2007

Suizhong 36-1

China

2

1

2007

Inner Dowsing

Reino Unido

97

27

2008

Kemi Ajos (2)

Finlandia

15

5

2008

Princes Amalia (Q7)

Países Bajos

120

60

2008

Lynn

Reino Unido

97

27

2008

Hooksiel Demonstrator

Alemania

5

1

2008

En 2008, la mayor potencia instalada (591 MW) estaba en el Reino Unido, lo que representa el 40% de Europa, seguida por Dinamarca, 28%, Países Bajos, 17% y Suecia, 9%. De momento, el proyecto más importante se va a llevar a cabo en el estuario del Támesis. Se denominará parque eólico London Array y se construirá a lo largo de 20 km frente a las costas de Kent y Essex, en un área de 25 km2. La inversión prevista de 2.200 M€

la llevará a cabo un consorcio formado por la alemana E.ON, la danesa Dong y la árabe Masdar. En primera etapa la potencia instalada será de 630 MW, lo que supone una cifra de 3,3 M€/MW. Esta primera fase constará de 175 turbinas de 3,6 MW cada una. En España, en 2009, se han presentado un total de 32 proyectos: diecisiete en Andalucía, siete en Galicia, cuatro en Cataluña, tres en Valencia y uno en Murcia.

665


LA FIJACIÓN DE LAS TURBINAS OFFSHORE Uno de los grandes problemas de la instalación de las turbinas eólicas marinas es el anclaje, muchas veces antieconómico, debido a la profundidad del lugar y a las particularidades del fondo marino. En 2009, la empresa noruega Statoilhydro y la alemana Siemens han instalado un prototipo de turbina flotante (véase Figura 37.6), cerca de la isla noruega de Karmoy. La turbina eólica flotante tiene una potencia de 2,3 MW. La instalación se halla a 12 km de la costa en un lugar donde la profundidad es de 220 m. El comportamiento será analizado en los próximos dos años.

Figura 37.6. Turbina marina flotante.

Posibilidad de desarrollo de la energía eólica en España Realizando un cálculo sumamente conservador teniendo en cuenta la densidad energética, según se observa en el mapa eólico de España, y considerando unas tasas de conversión energética más bien bajas, las Tablas 37.5 y 37.6 muestran que es factible cubrir tres cuartas partes del consumo eléctrico actual empleando como fuente única la energía eólica. La Tabla 37.5 muestra los cálculos realizados asumiendo las áreas potenciales según el mapa eólico de España; para cada isozona se tiene una determinada área potencial (terrestre y marina, la de 450 W/m2) y se asume un 0,2% de ocupación de esa área potencial que podría destinarse a la instalación de parques eólicos con suficiente potencial de generar energía. El resultado es que una ocupación de terreno de 680 km2 (un 0,15% de la superficie de Espa-

ña), asumiendo que el viento solo sopla de manera efectiva un 25% del tiempo, podría generar una energía seis veces superior al parque nuclear actual. Es de todo punto de vista evidente que para que ello sea factible hay que hacer intensa labor de gestión de la demanda. La Tabla 37.6 relaciona el total de energía eólica factible de ser producida y distribuida de la Tabla 37.5 (suma de todas las cantidades generadas en cada isozona) con el total de energía primaria consumida por todos los hogares de España según datos del año 2007. Como se puede observar en la Tabla 37.6, aun haciendo cálculos muy conservadores, en cuanto al área ocupada por parques eólicos, la energía eólica podría llegar a cubrir cinco veces la demanda de energía eléctrica en el sector de la vivienda o 1,5 veces el consumo total de España.

Tabla 37.5. Potencial de energía eólica producida. Isozona (W/m2) Área teórica (km2)

100

200

300

1000

450

150.000

80.000

50.000

20.000

40.000

TOTAL

0,2% de ocupación de terreno (km2)

300

160

100

40

80

680

MW (25% de funcionamiento al año)

7.500

8.000

7.500

10.000

9.000

42.000

Generación de energia MWh/año

65.700.000

70.080.000

65.700.000

87.600.000

78.840.000

367.920.000

Número de generadores de 1 MW

30.000

32.000

30.000

40.000

36.000

Número de generadores de 1 MW por hectárea

0,002

0,004

0,006

0,020

0,009

666


Tabla 37.6. Relación de energía producida/consumida según datos del año 2007 (estimación de producción). Consumo eléctrico medio hogar español (2006) Hogares en España

4.752

kWh/año

14.000.000

viviendas

Consumo teórico eléctrico en España (hogares)

66.528.000

MWh/año

Total consumo eléctrico en España en 2007

260.838.000

MWh/año

Energía posible de generar con aerogeneradores

367.920.000

MWh/año

PREVISIONES DE DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA EN EL MUNDO El problema de la falta de sincronización entre el momento que sopla el viento y la demanda de energía obliga a buscar alternativas a medida que la potencia eléctrica instalada crece con independencia de la gestión de la demanda. Las soluciones híbridas más usuales son: •

•

•

Hibridación energía eólica-motores diesel. Esta solución se perfila como la más adecuada para lugares remotos, como islas muy alejadas de la costa u otros lugares donde existan limitaciones en la red. Aplicación de la energía eólica a la desalinización de agua, en particular para pequeñas islas del arco mediterráneo y, lógicamente, para caudales limitados. Hibridación para la generación de hidrógeno, a partir de la electrólisis del agua. Se trata de una aplicación similar a la anterior pero de aplicación a plazo algo más dilatado.

Otra alternativa que se debate es la que durante el día los aerogeneradores inyecten energía a la red pero de noche se empleen para recargar baterías de automóviles.

La Tabla 37.7 muestra las previsiones de incremento de instalación de energía eólica para el próximo decenio. Como se desprende de la Tabla 37.7, el incremento de instalación se prevé, en todo el mundo, exponencial. En España se prevé un futuro prometedor para la eólica, principalmente porque el consumo ha sido creciente y se mantendrá así durante los próximos años, el crecimiento anual ronda el 30%, la potencia media de los aerogeneradores es cada vez mayor y disminuye el precio de cada MW instalado. En España el Gobierno ha elevado las cifras de la potencia de todas las fuentes de cara al año 2011 y afirma que en ese año serán 13.000 MW y el origen del 9% de la energía eléctrica consumida. Más allá de ese año la Asociación Europea de la Energía Eólica calcula que la potencia instalada en el año 2020 generará el 20% de la electricidad necesaria. En el desarrollo de la eólica influirá decisivamente la eólica marina. En este momento las ubicaciones con más viento en España están ya ocupadas o autorizados otros nuevos, mientras que el mar es una alternativa que puede dar muchas opciones en

Tabla 37.7. Previsión de potencia eólica (valores acumulados) (Fuente: Windenergy 2008). Año

Europa (MW)

Mundo (MW)

2001

17.812

24.927

2003

29.301

40.301

2005

40.897

59.320

2007

57.136

94.593

2009

78.514

151.753

2011

109.927

236.653

2013

151.250

352.679

2015

200.165

514.348

2017

253.441

718.558


los próximos años ya que el potencial eólico marino en la península Ibérica es de unos 25.000 MW. Su principal ventaja es que en el mar la velocidad del viento es mayor por no existir apantallamiento, con una producción de electricidad un 20% mayor que en tierra. Sin embargo el precio de una instalación eólica en el mar y su mantenimiento son superiores que en tierra, pero por otra parte tienen una vida útil más larga. El resultado es una mayor rentabilidad en el mar que en tierra.

CENTRALES HIDRÁULICAS ACCIONADAS POR EL VIENTO Es obvio que el viento sopla en horas que a veces es poco conveniente y en otras ocasiones se precisa pero está en calma. Por ello se deben buscar aplicaciones que, aunque más costosas de inversión, puedan ser rentables con el tiempo. Desalinización de agua de mar

Las desalinizadoras precisan trabajar a una presión del orden de 55 bares, esto corresponde a una

667

altura hidrostática de unos 600 m, descontando las pérdidas de carga. Por otro lado, las membranas de ósmosis inversa no se pueden parar y poner en marcha de manera arbitraria. En otras palabras, es preciso que trabajen las 24 horas del día de manera ininterrumpida. Teniendo en cuenta que, en las zonas adecuadas de España, el viento sopla un 25% del tiempo del año, en principio habría que diseñar unos depósitos en colinas cercanas con una capacidad de almacenaje de aguas unas cuatro veces superior al caudal de diseño de la desalinizadora. Mientras el viento es capaz de accionar los generadores, estos propulsan bombas que suben el agua de mar hasta los depósitos. Los depósitos se vacían de forma continua hacia la entrada de la desalinizadora. Generación de electricidad en horas punta

Se plantea un sistema similar al anterior, ahora la altura no es crítica, a base de colocar el depósito a la altura que permita la orografía del terreno. Cuando la red precisa potencia se abre la salida del depósito que acciona una turbina hidráulica.

Otras opciones y avances de la energía eólica Las energías renovables se caracterizan por una propiedad intrínseca que hay que tener en cuenta: se dispone de ellas únicamente en el momento en el que existe el recurso que actúa como fuente primaria, es decir, los “molinos” producen electricidad cuando hay viento o las huertas fotovoltaicas cuando hay sol, y que cuando este recurso no se encuentra disponible (viento/sol), ello conduce a una producción energética nula, de ahí el adjetivo asociado a las energías renovables de “no gestionables”. La energía eólica posee unas características intrínsecas que pueden resumirse en: • • • •

Desacople entre la producción eólica y la demanda eléctrica. Gradientes en la producción. Error en la predicción de producción. Variabilidad.

Estas características hacen que un sistema eléctrico con alto porcentaje de penetración eólico tenga que disponer de elevadas reservas terciarias en

otras formas de energía, lo que encarece el precio de la electricidad, ya que este tipo de instalaciones que actúan de reserva requieren que el precio de venta de la energía sea elevado para poder mantener alguna rentabilidad. España es un país puntero a escala internacional en energías renovables, destacando de forma notable en el campo de la energía eólica. Con la existencia de muchos parques eólicos distribuidos a largo y ancho de toda la Península, pero el propio carácter de no gestionable está conllevando a la búsqueda de sistemas de almacenamiento energético intermedios, con el fin de poder llegar a prescindir al 100% de las fuentes primarias basadas en combustibles fósiles. Entre todos los sistemas de almacenamiento energético para las energías renovables, el hidrógeno puede constituirse como una alternativa atractiva de almacenamiento energético horario y estacional, y en un rango de potencias adecuado con el tamaño actual de los parques eólicos del orden de los megavatios.

668


Un nuevo sistema hidráulico de fibra óptica permite medir la velocidad y dirección del viento 1.000 m antes de que este llegue al aerogenerador. De esta manera las turbinas tienen tiempo suficiente (unos segundos) para adaptarse a un cambio repentino de la dirección del viento o a una ráfaga inesperada. Se calcula que las turbinas pierden un 1% de su eficiencia operativa por cada grado que sus aspas no están alineadas con respecto al viento. El dispositivo se denomina LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) y se sitúa en la cima del generador en substitución de los convencionales anemómetros. La firma Vertical Wind ha desarrollado un nuevo tipo de tecnología eólica que combina la turbina vertical con un generador situado en la base de la torre, lo que supone una ventaja con respecto a los aerogeneradores convencionales, pesados y costosos de instalar. La Figura 37.7 muestra un generador de este tipo. La turbina vertical, como es obvio, presenta un funcionamiento con independencia de la dirección del viento y es poco sensible a las turbulencias.

El arquitecto francés París Nicola ha desarrollado la idea de usar las torres de transporte de electricidad como soporte para generadores eólicos de eje vertical. El sistema, como muestra la Figura 37.8, consiste en aprovechar las propias torretas para ubicar en su interior generadores eólicos (tipo Darrieus), que no dependen de la orientación del viento y son mas silenciosos que los habituales de eje horizontal.

Figura 37.8. Generadores eólicos en el interior de torres de trasporte de energía eléctrica.

Desde el punto de vista de la logística las ventajas son indudables: el soporte mecánico es muy barato, no precisan puntos de conexión ni redes de transporte. El equipo del arquitecto ha diseñado modelos para pequeñas torres desde 1 a 10 kW (similar a las microturbinas para los tejados). Las ubicadas en las torres de media y alta tensión pueden albergar generadores de entre 20 y 200 kW.

GENERADORES DE BAJA POTENCIA Se denomina energía “minieólica” a la producida por aquellos generadores de hasta 200 m2 de área barrida por el rotor. Son bastantes las empresas, entre ellas la española Endesa Ingeniería, que han puesto a punto generadores eólicos de pequeña potencia para su instalación en: •

• Figura 37.7. Generador eólico de turbina vertical.

Fábricas o talleres que precisen poca potencia (o que se hallen muy alejados de la red). La estructura se halla diseñada de manera que pueda instalarse en el tejado o en patios. Edificios de viviendas.


Estos modelos tienen entre 5 y 15 kW y son de eje vertical con palas horizontales, de forma que facilite su instalación en el tejado como si se tratara de un equipo de refrigeración. La “aeroelasticidad” (flutter) es un fenómeno aerodinámico conocido por sus poderes destructivos que consiste en una vibración autoinducida que ocurre cuando una superficie sustentadora se dobla bajo una carga aerodinámica, pero debidamente conducido puede servir para producir electricidad, de momento, en pequeñas cantidades. La Figura 37.9 muestra un modelo de la firma donQi Urban Windmill.

669

Figura 37.10. Generadores eólicos domésticos.

Figura 37.9. Generador eólico doméstico.

El modelo que reproduce la Figura 37.10 tiene un peso total de 18,5 kg. La máxima velocidad del rotor es de 1.000 rpm (20 m/s). A esta velocidad genera 2,3 kW. La velocidad mínima del aire, para su funcionamiento, es de 3 m/s. Un científico del MIT (Massachussets Institute of Technology) ha desarrollado un prototipo (al que denomina Windbelt), del tamaño de un teléfono móvil, que emplea una membrana tirante que, cuando el viento pasa a través de ella, vibra entre bobinas de metal para generar electricidad. Investigadores franceses han desarrollado unas torres abatibles, muy útiles para cuando las velocidades del viento sobrepasan, con creces, los límites aceptables, como sería el caso de los huracanes. Esta modalidad ha sido muy bien recibida en aquellas zonas propensas a estos fuertes vientos. Otro desarrollo consiste, como muestra la Figura 37.11, en la sustitución de los rodamientos convencionales, por sistemas de levitación magnética.

El modelo de la Figura 37.9 alcanza una potencia de 1,75 kW, con una velocidad nominal de 14 m/s. En el campo de la aplicación doméstica, una de las mayores prevenciones es el ruido que producen los aerogeneradores. Por ello la firma Zephyr ha desarrollado el modelo Airdolphin, aparato muy robusto, que tiene la particularidad de su timón de cola (que a imitación de la cola de los peces, va girando el molino en la dirección del viento), así como el acabado de los bordes de las palas, realizadas con una geometría que provoca microvórtices que reducen el ruido.

Figura 37.11 Sistema de levitación magnética para aerogeneradores.

670


Es obvio que la levitación consume energía eléctrica pero, según sus diseñadores (Guangzhou Energy Research Institute and Guangzhou Zhongke Hengyuan Energy Science & Technology Co.), el gasto adicional de electricidad es compensado por la reducción (eliminación) de las pérdidas ocasionadas por la fricción. De esta manera sus creadores aseguran que el aerogenerador producirá un 20% más de energía que uno convencional. Una de las razones estriba en el hecho de que, en caso de usar el magnetismo, las aspas comienzan a girar a partir de velocidades del viento de 1,5 m/s. Una variante del sistema anterior, esquematizado en la Figura 37.12, es el proyecto liderado por Ed Mazur, un investigador de energías renovables que viene desarrollando el modelo desde 1981. Las aspas de la turbina están suspendidas en una especie de almohadón de aire, y la energía es dirigida hacia generadores lineales con pérdidas mínimas por fricción. Pero la gran ventaja de Maglev (levitación magnética) es que reduce los costos de mantenimiento e incrementa la vida útil del aerogenerador. Construir una turbina de estas, de colosales dimensiones, reduce los costos y el espacio equivalente para construir los cientos de aerogeneradores convencionales que se necesitarían para producir una cantidad semejante de energía. Ya que la Maglev sólo precisa 40 hectáreas, mientras que el equivalente serían 500 turbinas eólicas convencionales que utilizarían cientos de hectáreas de espacio. Si se construye, la Maglev será la turbina eólica más eficiente y grande del mundo.

Figura 37.12 Turbina eólica de levitación magnética Maglev.

NUEVO DISEÑO DE PARQUE EÓLICO MARINO El recién creado Energy Technologies Institute (ETI), un organismo en el que participa el Gobierno británico y las empresas BP, Caterpillar, EDF Energy, E.ON, Rolls-Royce y Shell, ha desarrollado el proyecto NOVA, uno de cuyos objetivos consiste en mejorar la percepción pública de los parques eólicos en el paisaje marino. Para ello, la tradicional hélice sobre una torre cilíndrica, se sustituirá por dos brazos en “V” de unos 120 m de altura con cuatro aletas rígidas a lo largo. Las alas actúan como aerodeslizadores, que con el viento producirán la fuerza necesaria para hacer girar toda la estructura a tres vueltas por minuto. Eso permite que la turbina que hay al pie de los brazos genere hasta 9 MW de electricidad, frente a los 2/3 MW de media que producen las actuales turbinas convencionales. La empresa británica Wind Power de Blyth ya ha realizado pruebas en el túnel de viento con un modelo a escala y los resultados indican que se puede alcanzar la potencia prevista. El nuevo modelo funciona de manera parecida a una noria. La estructura, con sus brazos unidos por cables de acero, se parece a un enorme tendedero giratorio. Está construida de manera que supere los problemas que presentan las actuales turbinas de eje horizontal que acciona un rotor. El problema de las actuales turbinas es que los rotores y generadores van montados en lo alto de la torre, donde hay que instalar también los mecanismos que hacen girar los rotores en dirección del viento. El nuevo diseño es más eficiente porque puede aprovechar el viento en cualquier dirección y, tanto la turbina como los demás mecanismos están situados a nivel del suelo (o del mar), la estructura es mucho más estable y fácil de mantener. El consorcio Nova pretende tener, en 2020, turbinas verticales con una potencia instalada de 1 GW, para lo que es preciso disponer, antes de seis años, de una instalación de demostración a gran escala. Las turbinas eólicas marinas de eje vertical ofrecen posibilidades extraordinarias para aprovechar la fuerza del viento con unos costes de mantenimiento reducidos, debido a que tienen menos partes móviles, no dependen de la dirección del

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viento y llevan el generador instalado en la base, posiblemente sin necesidad de reductora. El centro de gravedad relativamente bajo hace que estas

turbinas sean muy adecuadas para instalarlas en el mar. Además estorban mucho menos a los radares que las actuales turbinas de eje horizontal.

La energía eólica y los ceros eléctricos Los huecos de tensión son variaciones en la tensión de la red eléctrica que se producen por múltiples razones, desde problemas en centrales de generación a desconexiones en centros de consumo. Para protegerse y evitar averías, los generadores eólicos están diseñados para desconectarse si los huecos de tensión duran más de un tiempo determinado, lo que puede agravar el problema. Actualmente se requiere que los nuevos aerogeneradores puedan soportar los huecos de tensión. A escala internacional se están fijando las normativas de conexión a red de generación de energía no convencional. El cumplimiento de estas normativas exige a los fabricantes de aerogeneradores la incorporación de nuevos dispositivos y el desarrollo de nuevas estrategias de control. Las nuevas normativas se centran en aspectos como la capacidad de soportar los huecos de tensión, la capacidad de aportar potencia, reactiva, control de frecuencia, control de tensión y limitación de potencia, entre otros. Los equipamientos asociados a estos requerimientos se centran principalmente en los principales componentes eléctricos del aerogenerador, como son el generador transformador, armario de potencia, protecciones eléctricas y mecánicas, etc. El comportamiento de los diferentes generadores eólicos frente a los huecos de tensión se puede resumir de la siguiente manera: •

Generadores asíncronos (también llamados generadores de inducción) de jaula de ardilla de velocidad fija de palas. Al producirse una falta en la red y bajar la tensión en los terminales del mismo, se produce una aceleración del rotor, debido a la reducción del par antagonista de la red a causa de la reducción de tensión del hueco. Además, existe una elevación de la corriente entregada, con lo que contribuye a la actuación de las protecciones. Una vez despejada la falta por las protecciones, al recuperarse la

•

•

tensión de la red, la máquina absorbe una gran cantidad de energía, lo que dificulta el periodo de recuperación de la tensión. La solución es instalar un Statcom para todo el generador o parque, que suministre la energía reactiva y mantenga la tensión del mismo. Generadores asíncronos doblemente alimentados con convertidor entre el rotor del generador y la red. Estos generadores tienen acoplado a la salida del rotor un doble convertidor con una capacidad del 30% de la potencia nominal del generador, para rectificar primero, y ondular posteriormente, las corrientes rotóricas e inyectarlas en la red. Al producirse una falta, se eleva bruscamente la corriente del rotor por efecto transformador (al elevarse la corriente del estator por la falta). La sobreintensidad tiene que pasar por el convertidor del lado de la red en su camino hacia la misma, por lo que si no se reduce su valor, puede resultar dañado dicho convertidor. Hay varias formas de conseguirlo. En una de ellas se utiliza el llamado crowbar activo, que consiste en provocar un cortocircuito a la salida del rotor conectando a través de tiristores, cuando se detecta el incremento de corriente, unas resistencias, y convirtiendo el generador en uno de tipo jaula de ardilla. Una vez desaparecida la falta se vuelve a la condición inicial. Otro sistema consiste en insertar, al inicio de una falta, unas resistencias en el bus de continua entre los convertidores del lado rotor y lado red. También puede usarse en lugar de las resistencias un elemento de almacenamiento de energía tipo batería o bien superconductores, para conseguir que la tensión de continua no sobrepase sus límites nominales, devolviendo la energía a la red una vez

672

•


eliminada la falta. En este caso es necesario aumentar la capacidad del convertidor. Además, el convertidor produce energía reactiva que ayuda en la recuperación de la tensión después de despejada la falta. Generadores síncronos de velocidad variable de palas y convertidor entre la salida del estator y la red. Estos generadores tienen instalado un doble convertidor por el que pasa toda la energía absorbida del viento a la red. El generador está desacoplado por lo tanto de la red, por lo que los transitorios de esta no le afectan grandemente.

En casi todo el mundo las compañías eléctricas exigen que los aerogeneradores estén equipados con una batería de condensadores eléctricos conmutables, que compensan parcialmente este fenómeno (por razones técnicas no quieren una compensación total). Si la turbina no cumple las especificaciones de la compañía eléctrica, el propietario puede tener que pagar cargos adicionales. Normalmente, este no es un problema que preocupe a los propietarios de aerogeneradores, ya que los fabricantes experimentados suministran por defecto de acuerdo con las especificaciones de la compañía eléctrica local.

La energía geotérmica

38

LA ENERGÍA GEOTÉRMICA ES FÁCIL DE APROVECHAR PARA CALEFACCIÓN Y CLIMATIZACIÓN • • •

• • •

•

• •

• •

El calor interno de la Tierra proviene, principalmente, del decaimiento de los elementos radioactivos de su interior y del calor conservado desde la formación del Planeta. Los recursos geotérmicos solo pueden considerarse como una fuente de energía renovable si su ritmo de explotación no es superior a la velocidad que emana desde el interior de la Tierra. Se estima que el calor que emerge del interior de la Tierra constantemente es de 40 TW, una energía inmensa a escala humana. Las reservas son ingentes, tanto es así que el propio Sol requeriría varios millones de años para enviarnos una energía equivalente a la contenida en el interior de la Tierra. La calidad de la energía geotérmica es muy buena ya que no depende de las variaciones estacionales. Según la temperatura del fluido que emerge, normalmente agua o vapor de agua, se puede generar electricidad, ya sea directamente o por medio de un fluido intermedio. La potencia de una planta de evaporación flash suele ser menor que una de vapor seco, pero al ser más frecuentes este tipo de yacimientos y estar distribuidos de manera más generosa por la geografía, el número de centrales es mayor y la potencia total instalada también. Las centrales de ciclo binario están diseñadas para aprovechar yacimientos a menores temperaturas. El fluido no atraviesa la turbina, sino que cede su energía a un fluido intermedio, por lo general un fluido orgánico de bajo punto de ebullición. Este, cuando se vaporiza en el intercambiador realiza un ciclo de Rankine. El uso directo del calor para procesos industriales es siempre posible. La energía geotérmica es muy útil para calefacción ya que a poca profundidad (entre 5 y 10 m) la temperatura media es alta y relativamente constante. Con esta gama de profundidades se requiere el auxilio de una bomba de calor. Con ello es posible, en países como España, donde la mitad del año se precisa calefacción y la otra mitad aire acondicionado, cubrir ambos servicios. Para prescindir de la bomba de calor es preciso llevar a cabo perforaciones, por lo general, de menos de 1.000 m. España tiene un gran potencial geotérmico todavía por explotar.

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Introducción La temperatura del interior de nuestro planeta aumenta a razón de 30 ºC por kilómetro, hasta alcanzar los 4.000 ºC a que se encuentra el núcleo. Teniendo en cuenta la densidad de la masa del núcleo, la temperatura media de la Tierra sería del orden de 1.000 ºC. A escala humana esto significa una fuente inagotable de energía. La corteza, o superficie, solo tiene 100 km de espesor y recientemente se ha investigado mucho sobre sus posibilidades desde el punto de vista de captación de energía. Los recursos geotérmicos solo pueden considerarse como una fuente de energía renovable si su ritmo de explotación no es superior a la velocidad que emana desde el interior de la tierra. Ha habido muchas explotaciones geotérmicas, en el caso de rocas calientes, donde se ha agotado el calor almacenado. La Tierra se comporta como un gran almacén de energía más que como un productor, si se exceptúa la energía procedente de las desintegraciones nucleares. El calor geotérmico emana de forma muy diluida, a razón de 0,06 W/m2, una cantidad infinitamente inferior a la energía que procede de la radiación solar (8.000 veces superior). No obstante, en algunas partes el flujo de calor se halla más concentrado y se puede aprovechar. El calor interno de la Tierra procedente del decaimiento de los elementos radioactivos se indica en la Tabla 38.1. Se cree que el calor que emana del interior del planeta es consecuencia de dos procesos diferentes pero con un origen común: • •

El proceso de formación de la Tierra. La acción radioactiva de los elementos fisionables.

El primero procede de la formación, propiamente dicha, de la Tierra como planeta hace 4.500 mi-

llones de años como consecuencia de la agrupación, gracias a la acción gravitatoria, de una nube de gases y polvo a gran temperatura procedente de la explosión de una supernova que, en parte dio lugar al Sol por colapso gravitatorio, mientras los materiales sobrantes, tras enfriarse, formaron bloques más grandes, dando lugar a un primigenio planeta. La parte externa de la superficie se fue enfriando por radiación, dando lugar a la corteza, que se extiende a unos 30 km de profundidad. La corteza y el manto, que tiene un espesor de 2.900 km, actúan como una inmensa envoltura aislante que preserva el calor del núcleo externo y el interno compuesto este último por una masa, sólida, de hierro y níquel, que se halla a 4.000 ºC. Es decir, el calor interno va fluyendo hacia el exterior. Otra parte significativa del calor, que algunos estudiosos cuantifican en la mitad del flujo calorífico que alcanza la superficie, proviene de la desintegración de elementos radiactivos, básicamente, 232 Th, 235U, 238U y 40K. Teniendo en cuenta que la velocidad de desintegración decae exponencialmente con el tiempo, se puede estimar que la generación de calor de origen radiactivo era como cinco veces superior en la época en que se formó el planeta o, en otras palabras, la temperatura superficial era muy superior a la actual. En las zonas próximas a los bordes de las placas tectónicas, los gradientes térmicos son elevados, de hasta 100 ºC/km, y se produce emanación de vapor de agua. En estas zonas también hay mayor presencia de volcanes y se producen terremotos, todo ello son formas de liberar calor interno. La energía geotérmica, como esquematiza la Figura 38.1, se manifiesta en forma de: •

Energía almacenada en las rocas (magma) y rocas calientes secas.

Tabla 38.1. Principales isótopos radioactivos encontrados en rocas (Rybach, 1976). Nombre

Isótopo

Uranio

238

Uranio

235

Torio Potasio

232

U U

Th

40

K

Vida media (años)

Calor generado (J/kg año)

Calor generado (kW/kg año)

4,5x109

2,97x109

807

9

9

5.007

13,9x10

9

0,87x10

242

1,3x109

0,92x109

265

0,71x10

9

18,0x10


675

Figura 38.1. Esquema general del funcionamiento de un sistema geotermal.

• • • •

Sistemas hidrotermales a alta temperatura: agua caliente y vapor. Sistemas hidrotermales de baja temperatura, agua por debajo de 100 ºC. Sistemas geotermales cerca de la superficie (a menos de 400 m): colectores, pozos, etc. Otros sistemas: túneles de calor, estructuras que conectan con las profundidades, acuí-

Figura 38.2. Esquema general de aplicaciones de la energía geotérmica en función de la temperatura.

feros estacionales, sondeos geotérmicos profundos, etc. Desde el punto de vista de las aplicaciones de la energía geotérmica, el parámetro mas importante, como muestra la Figura 38.2, es la temperatura. Las aplicaciones a procesos son infinitas: refrigeración por absorción de amoniaco, industria del papel, industria alimentaria, evaporación, secado,

676


Figura 38.3. Central eléctrica geotérmica de Kamchatka.

calefacción, cría de animales, invernaderos, calentamiento de piscinas, fermentación, granjas de peces, etc. Son diversas las tecnologías para acceder a la energía geotérmica. En Alemania, país donde se han dedicado recursos económicos para explorar las posibilidades de la energía geotérmica, se han detectado bastantes reservas con agua a más de 100 ºC. En el proceso HDR (Hot Dry Rock), se inyecta agua fría por grietas hasta alcanzar las rocas calientes profundas, en este caso se aprovecha la presión generada por la temperatura para elevar el fluido caliente hacia la superficie. En 1990, los científicos desarrollaron una nueva generación de turbinas que operan a baja temperatura, las denominadas máquinas ORC (Organic Rankine Cycle), que usan líquidos que hierven, y pueden accionar turbinas, a temperaturas inferiores a 100 ºC. En la localidad alemana de Neustadt-Glewe, en Magdeburgo, en noviembre de 2003 se inauguró una central de district heating a partir de agua que fluye a 98 ºC. La planta tiene una potencia de 11 MW y abastece a 7.000 habitantes. Durante el verano, funciona una turbina ORC que de momento produce 250 kW eléctricos. Cerca de Múnich, se está planeando instalar una planta de 16 MW bombeando agua desde 3.400 m a 110 ºC que, además de calefacción, está previsto que genere 3,7 MW. En la península de Kamchatka (extremo oriental de Rusia) existen numerosos volcanes y cerca de la ciudad de Petropavlovsk se han perforado 90

pozos de los que emana vapor de agua a 240 ºC, de momento con una capacidad superior a 300 MW. La cooperación técnica alemana ha proporcionado las calderas y Rusia las turbinas, con lo que se han instalado diversas centrales eléctricas de 50 MW, como la que muestra la Figura 38.3. En el proceso ORC el agua caliente de origen geotérmico entra en el evaporador y vaporiza un fluido del circuito secundario. El vapor de baja presión se introduce en una turbina, que luego se enfría y condensa. Por el momento en el caso del vapor de agua, para que el sistema sea rentable se precisa vapor a una temperatura mínima de 175 ºC. El adjetivo de orgánico (ORC) se refiere a los fluidos de esta naturaleza que se usan para conseguir una ebullición a una temperatura inferior a 100 ºC, normalmente pentano. Los generadores Kalina constituyen una variante que emplean amoniaco. La Figura 38.4 muestra un conjunto de turbina ORC.

Figura 38.4. Conjunto turbina ORC para generar electricidad a partir de agua caliente de origen geotérmico.

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Una vez que se dispone de pozos de explotación se extrae el fluido geotérmico que consiste en una combinación de vapor, agua y otros componentes. Este se conduce hacia la planta geotérmica donde debe ser tratado. Primero pasa por un separador de donde sale el vapor y la salmuera y líquidos de condensación y arrastre, que es una combinación de agua y minerales. Esta última se envía a pozos de reinyección para que no se agote el yacimiento geotérmico. El vapor continúa hacia las turbinas que con su rotación mueve un generador que produce energía eléctrica. Después de la turbina el vapor es condensado y enfriado en torres y lagunas. La energía geotérmica tiene una gran ventaja: el flujo de producción de energía es constante a lo largo del año ya que no depende de variaciones estacionales como lluvias, caudales de ríos, etc. Es un complemento ideal para las plantas hidroeléctricas. Las perforaciones modernas en los sistemas geotérmicos alcanzan reservas de agua y de vapor, calentados por magma mucho más profundo, que

se encuentran hasta 3.000 metros bajo el nivel del mar. El vapor se purifica en la boca del pozo antes de ser transportado en tubos grandes y aislados hasta las turbinas. La energía térmica puede obtenerse también a partir de géiseres y de emanaciones que emergen por las grietas. La energía geotérmica de alta temperatura existe en las zonas activas de la corteza terrestre. Su temperatura está comprendida entre 150 y 400 ºC. Se requieren varios parámetros para que exista un campo geotérmico: un techo compuesto de una cobertura de rocas impermeables; un depósito, o acuífero, de permeabilidad elevada, ente 300 y 2.000 m de profundidad; rocas fracturadas que permitan una circulación convectiva de fluidos, y por lo tanto la transferencia de calor de la fuente a la superficie, y una fuente de calor magmático, entre 3 y 10 km de profundidad a 500-600 ºC. La explotación de un campo de estas características se hace por medio de perforaciones según técnicas casi idénticas a las de la extracción del petróleo.

Tecnologías actuales para la producción de electricidad de origen geotérmico En la actualidad, y de manera simplificada, existen tres tipos de centrales para la producción de electricidad a partir de un yacimiento hidrogeotérmico: • • •

Central de vapor seco. Central de evaporación flash. Central de ciclo binario.

La Figura 38.5 muestra esquemáticamente el principio de funcionamiento de cada uno de estos sistemas. El pozo de reinyección debe estar a una

distancia prudencial del de extracción. La mala planificación de la situación de ambos pozos puede acabar con la fuente renovable.

CENTRAL DE VAPOR SECO Este tipo de planta aprovecha el vapor tal y como fluye de la perforación, conduciéndolo directamente a la turbina. Esta variante es la que se usa, por ejemplo, en las unidades que aprovechan el yacimiento de The Geysers en California, que

Figura 38.5. Principio de funcionamiento de tipos de centrales geotérmicas.

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constituyen, en su conjunto, la mayor central de producción eléctrica geotérmica del mundo. La central de Larderello, en Italia, también utilizaba esta tecnología desde 1904. El tipo de yacimiento que aprovechan estas centrales, con temperaturas elevadas, aproximadamente 250 ºC, y presencia de agua a una profundidad accesible, no es muy frecuente en la corteza terrestre, razón por la cual las centrales de vapor seco no son muy habituales.

agua líquida. La fracción líquida del fluido geotérmico puede ser sometida a un segundo estrangulamiento para producir una mayor fracción de vapor para turbinar y aumentar así la producción de energía eléctrica. La potencia de una planta de este tipo suele ser menor que una de vapor seco, pero al ser más frecuentes este tipo de yacimientos y estar distribuidos de manera más generosa por la geografía, el número de centrales es mayor y la potencia total instalada también.

CENTRALES DE EVAPORACIÓN FLASH Las plantas de evaporación flash son las más extendidas. Usan agua que se extrae del yacimiento en estado líquido, o una mezcla de líquido y vapor, a temperaturas superiores a 180 ºC y a presiones relativamente elevadas. Una disminución brusca de la presión a la salida del pozo provoca la evaporación súbita (flash) del

CENTRALES DE CICLO BINARIO Están diseñadas para aprovechar yacimientos a menores temperaturas. El fluido no atraviesa la turbina, sino que cede su energía a un fluido intermedio, por lo general un fluido orgánico de bajo punto de ebullición. Este, cuando se vaporiza en el intercambiador, realiza un ciclo de Rankine.

Tecnologías futuras para el aprovechamiento geotérmico Son, fundamentalmente, dos: •

•

Nuevos ciclos binarios. El más usado en la actualidad es el ciclo orgánico de Rankine (OCR). El fluido, una vez ha sido turbinado, debe ser condensado. Una modificación de este ciclo, que permite aprovechar mejor la energía del fluido geotérmico es el ciclo Kalina, que usa una mezcla de fluidos (por ejemplo amoniaco y agua) que cambia de fase en el evaporador, no a una temperatura constante, como acontece en el Rankine, sino en un intervalo de temperaturas determinado. De esta forma la diferencia de temperaturas con el fluido geotérmico en el intercambiador es menor y el rendimiento mayor. Por ejemplo, en Alaska se ha inaugurado una planta que produce electricidad a partir de agua a 76 ºC, si bien las bajas temperaturas del lugar favorecen el proceso. Yacimientos de roca seca caliente. Se trata de formaciones rocosas no permeables en ausencia de aguas profundas (entre 3 y 5 km) y a elevada temperatura (de 250 a 500 ºC). Cuando se encuentra una fractura en la

roca se inyecta agua desde la superficie que, una vez vaporizada, se eleva a la superficie para ser turbinada. Este tipo de yacimientos son prácticamente ilimitados y su explotación comercial se halla en fase avanzada. La energía geotérmica de temperaturas medias es aquella en que los fluidos de los acuíferos están a temperaturas menos elevadas, normalmente entre 70 y 150 ºC. Por consiguiente, la conversión vaporelectricidad se realiza a un menor rendimiento, y debe utilizarse como intermediario un fluido volátil (ciclo orgánico de Rankine). Pequeñas centrales eléctricas pueden explotar estos recursos, como la que esquematiza la Figura 38.6. La energía geotérmica de baja temperatura es aprovechable en zonas más amplias que las anteriores; por ejemplo, en todas las cuencas sedimentarias. Se debe al gradiente geotérmico. Se considera energía geotérmica de muy baja temperatura cuando los fluidos se calientan a temperaturas comprendidas entre 20 y 60 ºC. Esta energía se utiliza para necesidades domésticas, urbanas o agrícolas. La frontera entre energía geotérmica de alta temperatura y la energía geotérmi-

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Figura 38.6. Energía geotérmica, temperatura a diferentes profundidades.

ca de baja temperatura es un poco arbitraria; es la temperatura por debajo de la cual no es posible ya producir electricidad con un rendimiento aceptable y es, aproximadamente, de 120 a 180 ºC. La geotermia es una alternativa energética que debería potenciarse, aprovechándola en diferentes procesos, en cascada. Podría usarse en procesos industriales la energía que desprende el líquido a alta temperatura, agua menos caliente en algunos tratamientos textiles o de la industria de alimentos, y tibia para llevarla a balnearios, sin necesidad de utilizar combustibles ni electricidad para calentar las aguas en calderas. El área de terreno requerido por las plantas geotérmicas por megavatio es menor que otro tipo de plantas. Las plantas geotérmicas están diseñadas

para funcionar las 24 horas del día durante todo el año. Desde que la primera electricidad generada geotérmicamente fue producida en Larderello, Italia, en 1904, el uso de la energía geotérmica para producción de electricidad ha crecido a lo largo del mundo hasta 7.000 MW en 21 países. Solo Estados Unidos produce 2.700 MW de electricidad de origen geotérmico, electricidad comparable a la producida al quemar 60 millones de barriles de petróleo. En buena lógica los países que están ubicados en zonas volcánicas son las que tienen mayores posibilidades de aprovechamiento, como: El Salvador, Filipinas (que hace años que la emplea), Nicaragua, Kenya, Nueva Zelanda, Indonesia, México, Japón, etc.

Potencial de aprovechamiento de la energía geotérmica La falta de información técnica sobre la cuantificación de la energía que emerge del interior de la Tierra hace muy difícil prever las posibilidades de aprovechamiento real. Para llevar a cabo una estimación se ha partido de las siguientes hipótesis: •

El potencial de 40 TW corresponde a la parte continental de la corteza terrestre o inmediatamente próxima a la costa.

•

•

El potencial antes indicado es el que se disipa al exterior de la Tierra, es decir, se pierde. Ya sea por motivos de temperatura o de contaminación de las aguas, o vapores que emergen del interior, se supone que un 40% de la energía se puede transformar en electricidad y el resto aprovecharse en procesos térmicos.

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Con estas premisas, la Tabla 38.2 elabora el potencial de esta energía para generar electricidad o simplemente calor. La Tabla 38.2 supone que el flujo térmico a alta temperatura se puede convertir en electricidad. Solo transformando esta parte del calor se produciría nueve veces la electricidad que consumió España en 2006. Haciendo el mismo razonamiento para la parte de energía térmica, el calor teóricamente aprovechable sería de 70 veces el que empleó España en 2006 para usos domésticos.

Hay que tener presente que la energía que se ha usado para el cálculo es la que se disipa al exterior, no la que tiene posibilidades de ser extraída con cierta facilidad. Es evidente que, si se utiliza la tecnología de perforación profunda la gama de temperatura a que se extrae el vapor es muy superior, el rendimiento de las centrales mejor y, naturalmente, la cantidad de electricidad generada muy superior. De forma análoga, usando bombas de calor, la energía extraída para district heating, o simplemente calefacción o refrigeración individual, son casi ilimitadas.

Tabla 38.2. Potencialidad energética de la energía geotérmica. Potencial que emerge del interior de la Tierra

40 TW

Energía emergida (perdida) al año

28.800 TWh

Porcentaje aprovechable para electricidad

40%

Energía térmica para generar electricidad

11.520.000.000 MWh/año

Rendimiento de la transformación (térmico/eléctrico) Electricidad potencialmente generada Energía térmica

20% 2.304.000.000 MWh/año 17.280.000.000 MWh/año

Rendimiento de la transformación (térmica/térmica) Calor teóricamente aprovechable

80% 13.824.000.000 MWh/año

Aplicación doméstica de la energía geotérmica Se puede afirmar que hasta los 10 m de profundidad la temperatura de la Tierra depende esencialmente del Sol. En aquellos parajes árticos con temperaturas de 80 ºC bajo cero, el frío penetra tierra adentro hasta llegar a varios metros de la tierra congelada: es el denominado permafrost (permanentemente congelado). La temperatura a 5 m bajo la superficie puede ser de -49 ºC. De la misma manera, en el trópico y en desiertos ecuatoriales, el calor penetra diversos metros, llegando a 30 ºC de temperatura. A pesar de que la estabilidad de temperatura se obtiene a partir de una profundidad de 5 m, para aplicaciones geotérmicas superficiales es suficiente realizar una instalación a 60 cm de profundidad. Se puede concluir en nuestra latitud, que en la superficie, en invierno, la temperatura es de -10 ºC y en verano es de +40 ºC, mientras que a 60 cm en invierno la temperatura es de +12 ºC y en verano +25 ºC. A 5 m de profundidad la temperatura estable es de +15ºC y el rendimiento de la bomba

geotérmica variará muy poco. Si se desea obtener en invierno temperatura de 20 ºC y en verano una temperatura de 25 ºC, con la captación de 5 mde profundidad en invierno se obtendría una diferencia de 5 ºC respecto a la temperatura de confort y en verano se obtendría una temperatura inferior a los 25 ºC de confort. Con una instalación de 60 cm las diferencias son mínimas, en invierno solo es necesario hacer un salto de temperatura de 8 ºC y en verano se logra la misma temperatura de confort de 25 ºC. En el esquema de la Figura 38.7 se puede comprobar que las diferencias de temperatura entre la instalación a 5 m y a 60 cm son pequeñas, pero la diferencia de coste de realizar la excavación es muy grande. Si se puede enterrar la instalación a 1 m funcionará mejor, pero en nuestras latitudes 60 cm es más que suficiente. Una de las aplicaciones más usadas de la energía geotérmica es la calefacción doméstica. En numerosos lugares de la Tierra, cuando se realiza una perforación entre 100 y 400 m, se obtiene una


681

Figura 38.7. Aplicaciones superficiales de la energía geotérmica.

fuente constante de calor a 18/20 ºC. En estas circunstancias se hace circular agua y una vez alcanzada esta temperatura se devuelve a la superficie donde una bomba de calor incrementa la temperatura hasta 40/45 ºC, que es la necesaria para la calefacción. El sistema también es útil en verano ya que la misma bomba de calor enfría el agua. La Figura 38.8 muestra el esquema del principio de funcionamiento.

En aplicaciones mucho más usuales, la Figura 38.9 muestra un esquema de la aplicación de la energía geotérmica, con refuerzo de bomba de calor, a la calefacción doméstica.

Figura 38.9. Esquema de funcionamiento de energía geotérmica a la calefacción doméstica.

Figura 38.8. Esquema de funcionamiento energía geotérmica de uso doméstico.

En esta aplicación, y a diferencia del caso anterior, la fuente primaria de calor se halla a pocos metros (menos de diez) de la superficie. El fluido es agua glicolada (agua más anticongelante) u otro fluido frigorífico que no sea perjudicial para la capa de ozono. La estación de esquí Grandvalira (situada en el norte del Principado de Andorra) ha incorporado un sistema geotérmico de calefacción a 2.500 m de altitud. Gracias a este sistema geotérmico, este edificio cuenta con calefacción durante toda la

682


temporada de esquí de forma completamente sostenible, a partir del aprovechamiento del calor del subsuelo. La calefacción con geotermia, con una potencia de 17 kW, presenta un rendimiento superior al 400%, o lo que es lo mismo, multiplica por cuaro la eficiencia de los sistemas de climatización tradicionales. Esta reducción del consumo energético supone también un gran ahorro económico, (si bien hay que descontar los autoconsumos) situado alrededor del 25%. A una altitud de 2.500 m, la geotermia también se convierte en un sistema muy cómodo, pues a esta altitud, el empleo de sistemas tradicionales de calefacción necesita un medio de transporte especial: el telesilla. Para obtener la energía del subsuelo, se han realizado perforaciones en la montaña de hasta 100 m de profundidad, dentro de las cuales se han instalado los colectores verticales para captar del calor. Este sistema está conectado con una bomba geotérmica, situada dentro del mismo edificio, que, a

su vez, transfiere el calor a un sistema de distribución, que hace llegar la calefacción al conjunto del local. En este caso, el sistema de distribución utilizado es el denominado suelo radiante, conjunto de tubos instalados justo por debajo del suelo del edificio por donde circula agua glicolada (buena conductora del calor). La circulación de este fluido calienta el suelo y, por el efecto de radiación, el conjunto de la zona de descanso, donde se alcanza una temperatura de confort de 22 ºC. Por último, recordar que en el Capíulo 32 de la Parte IV, se ha hecho mención del aprovechamiento de la energía geotérmica para la climatización de edificios, en especial la refrigeración del proyecto GeoCool de la Universidad Politécnica de Valencia. En esta se ha medido el rendimiento de una instalación tradicional con bomba de calor y una geotérmica. La conclusión es que se consigue un ahorro del orden del 50% respecto aquel.

La energía hidráulica

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TODAVÍA EXISTE UN POTENCIAL DE ENERGÍA MINIHIDRÁULICA POR EXPLOTAR • • • •

• • •

•

•

•

•

Con independencia del tamaño de la central, la generación de electricidad a partir de una turbina hidráulica siempre tiene un rendimiento muy elevado. La energía eléctrica de origen hidráulico está muy explotada en España. Tan solo es posible acometer obras de las denominadas minihidráulicas. Sin embargo se estima que la potencia, en minihidráulica, hasta el 2040, podría ser de 3.500 MW. Se consideran centrales minihidráulicas, y por tanto plenamente respetuosas con el medio ambiente, aquellas que tienen una potencia inferior a 10 MW. Normalmente usan la corriente directa del río. En caso de emplear presa, esta debe tener una altura inferior a 15 m. La potencia de una central hidroeléctrica depende, fundamentalmente, del caudal y la presión del agua para los que está diseñada la turbina, de acuerdo con las características del salto. España es un país con régimen pluviométrico muy irregular, lo que se traduce en caudales de ríos muy reducidos. El problema del cambio climático se cierne sobre España en el sentido de prolongadas sequías, lo que se ha traducido, en los últimos años, en importantes disminuciones de la energía hidráulica y la paralización de minicentrales para evitar la muerte biológica de muchos ríos. La orografía de España, con pocos desniveles montañosos, conduce a que el desnivel medio sea de 800 m, mientras que en otros países es mucho mayor y siempre disponen de saltos de 200 m. Ello facilita que países como Noruega (muy montañoso y con grandes desniveles) el 90% de la energía sea de origen hidroeléctrico. El desarrollo hidroeléctrico futuro será más significativo en calidad que en cantidad, ya que el potencial hidroeléctrico utilizable, sobre todo con grandes aprovechamientos, está llegando a su límite superior y la construcción de nuevas plantas de este tipo podría entrar en muchos casos en conflicto con otras formas de utilización del suelo y de los recursos hidráulicos, o se realizaría a costes muy elevados, que encarecerían notablemente la energía eléctrica que se pudiera producir. En los lugares que se pueda habría que instalar más centrales reversibles, que son plenamente ecológicas, para compensar los picos que provoca la demanda. En España había, a finales de 2007, un total de seis centrales reversibles, con una potencia global instalada de 2.195 MW. La nueva generación de turbinas hidráulicas, con un gran rendimiento, permite el aprovechamiento de saltos de poca altura (de menos de cino metros), con lo que el potencial de aprovechamiento es enorme.

684 • •


Las minicentrales pueden ayudar al crecimiento de pequeñas comunidades, sin producir efectos negativos en el medio. Un pequeño embalse de 4 o 5 km2 con un desnivel de 3 m puede mantener en funcionamiento una turbina de 10 kW.

Introducción La energía procedente del Sol que incide realmente en la superficie de la Tierra, y los océanos, provoca la evaporación diaria de 280 km3 de agua. En términos de potencia ello equivale a más de 8.000 TW, o bien al 20% de la radiación solar que alcanza nuestro planeta. En términos de precipitaciones supone, si el reparto fuera homogéneo, la cantidad de 200 litros/m2 y año. Como sea que existen muchos sitios en los que no llueve, equivale a decir que en nuestro país la precipitación media anual es mucho mayor y ello se traduce en energía potencial. El agua que, dentro del círculo hidrológico, fluye por los ríos al descender de un nivel superior a un nivel inferior genera una energía cinética que el hombre lleva siglos aprovechando. Hace más de cien años, esa energía, que hasta entonces se usaba fundamentalmente para moler el trigo, comenzó a emplearse en la generación de electricidad. De

hecho, fue hasta mitad del siglo XX la principal fuente de la que se sirvió el hombre para producir energía eléctrica a gran escala. Las centrales hidroeléctricas funcionan convirtiendo la energía cinética y potencial de una masa de agua al pasar por un salto en energía eléctrica. El agua hace rodar una turbina cuyo movimiento de rotación es transferido mediante un eje a un generador de electricidad. Se consideran centrales minihidráulicas aquellas con una potencia instalada de 10 MW o menos, una frontera que hasta hace poco se situaba en los 5 MW. Está completamente aceptado que estas instalaciones se consideran renovables, mientras que si se supera este umbral de potencia, si bien la “fuente” del recurso, el agua, sigue siendo renovable, la instalación no lo es y se denomina hidráulica convencional.

Estimación de los recursos hidráulicos A partir de la precipitación anual en todo el mundo, estimada en 1017 litros de agua y una altura media de la tierra, respecto al nivel del mar de 800 m, se puede calcular, teóricamente, la energía global acumulada que se cifra en 220.000 TWh/ año o bien 18.920 ktep, es decir un 50% más que toda la energía primaria consumida, en el mundo, en 2007. Es obvio que este cálculo no es realista,

puesto que sería imposible recoger el agua y mucha de ella cae en lugares a nivel del mar, una cifra más realista seria una cuarta parte, es decir 50.000 TWh/año. Se denomina recurso técnicamente accesible a aquella parte del recurso global a la que se puede acceder con la capacidad técnica existente que, como indica la Tabla 39.1 es del 10%. En el caso

Tabla 39.1. Potencial de crecimiento, a escala mundial, de la energía hidroeléctrica. Energía teórica potencial (precipitaciones) Fracción aprovechable estimada

220.000

Energía teórica realmente aprovechable

22.000

Carga media anual

3.500

Potencia real teórica Potencia instalada en el mundo Potencial de crecimiento

TWh/año

10%

6,3 640 GW 9,8

TWh/año h/año TW

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de la energía hidroeléctrica, a escala mundial, la potencia a instalar es del orden de 6,3 TW. Es decir, que la potencialidad de crecimiento de la energía hidráulica, en el mundo, es de casi diez veces. Según diversas estimaciones, en Europa la potencia instalada es de 120 GW, mientras que la cantidad potencialmente ampliable sería de 30 GW, hasta llegar a 150 GW. Las zonas de mayor potencialidad son África, América del Sur y Asia. En el caso de España, estos autores, como muestra la Tabla 39.2, estiman que, siguiendo el

régimen pluviométrico actual, hasta el 2040, se podría instalar un total de 3.500 MW de energía minihidráulica. Hay que tener en cuenta que el factor de carga que se considera normal, en el caso de la hidráulica, es del 44%, mientras que en España es prudente emplear la mitad. En cualquier caso, su contribución a la producción de electricidad no es nada desdeñable.

Tabla 39.2. Potencial de crecimiento, española, de la energía minihidráulica. Energía hidráulica convecional

27.577.524

MWh/año

Energía minihidraulica

6.500.000

MWh/año

TOTAL en 2007

34.077.524

MWh/año

Factor medio de carga

22%

Potencia hidraulica instalada en España

17.682

MW

Potencia instalada en la UE

120.000

MW

Potencia posible de ampliar en la UE

30.000

MW

Potencia posible de ampliar en España

3.500

MW

Energia potencial a generar en 2040

40.822.724

MWh/año

Tipos de centrales hidroeléctricas En algunos casos muy localizados, en los que el caudal del río asegura una aportación regular de agua, la energía potencial de esta puede aprovecharse directamente sin necesidad de embalsar previamente el agua o bien utilizando un embalse muy reducido. Este tipo de centrales recibe el nombre de centrales fluyentes. En los casos más habituales, por el contrario, una cantidad apreciable de agua es retenida mediante una presa, formando así un embalse o lago artificial del que se puede generar un salto de agua, para liberar eficazmente la energía potencial. Son las centrales con regulación. Ateniéndose a la estructura de la central propiamente dicha, existen muy diferentes esquemas de emplazamientos hidroeléctricos, dado que las características orográficas del lugar donde se asienta la central condicionan en gran medida dicho esquema. No obstante, todos ellos pueden reducirse a dos modelos, de modo que cada emplazamiento particular suele ser una variante de uno de ellos o una combinación de ambos.

El primer esquema, llamado aprovechamiento por derivación de las aguas, consiste básicamente en desviar las aguas del río, mediante una pequeña presa, hacia un canal que las conduce, con una pérdida de nivel tan pequeña como sea posible, hasta un pequeño depósito llamado cámara de carga. De esta cámara arranca una tubería forzada que conduce el agua hasta la sala de máquinas de la central. Posteriormente, el agua es restituida al río aguas abajo utilizando un canal de descarga. El segundo modelo, denominado aprovechamiento por acumulación de las aguas, consiste en construir, en un tramo del río que ofrece un apreciable desnivel, una presa de determinada altura. El nivel del agua se situará entonces en un punto sensiblemente cercano al extremo superior de la presa. A media altura de la presa, para aprovechar el volumen de embalse a cota superior, se encuentra la toma de aguas, y en la base inferior (aguas abajo de la presa), la sala de máquinas, provistas del grupo (o grupos) turbina-alternador. La central asociada a este tipo de aprovechamien-

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tos suele recibir el nombre de central de pie de presa.

COMPONENTES DE UN APROVECHAMIENTO HIDROELÉCTRICO Conviene señalar que esta doble división (centrales fluyentes y de regulación, de un lado; aprovechamientos por derivación y por acumulación, de otro) no es excluyente en términos absolutos. Presa

En la mayoría de los aprovechamientos hidráulicos, la presa es un elemento esencial y su configuración depende en gran medida de las características orográficas tanto del terreno como del curso del agua sobre el cual se instala el aprovechamiento. Esto da lugar a soluciones diferentes que, a su vez, se materializan en presas distintas. No obstante, puede indicarse, para simplificar (y tomando como criterio las características de los muros de la presa), que existen dos grandes tipos de presas, de las cuales se derivan todas las demás: las presas de gravedad y las de bóveda. En las primeras, la contención se realiza por el propio peso del muro de la presa. La mole de esta pared es, a

Figura 39.1. Tipos de turbinas.

veces, tan importante que, sin afectar a la seguridad de la instalación, permite economizar materiales de construcción. Se dice entonces que es una presa de gravedad aligerada. El segundo tipo de presa (las de bóveda) consigue la contención de las aguas y la estabilidad del muro mediante el empuje que los extremos del arco formado por la presa ejercen sobre las paredes laterales de la roca. Aliviaderos y tomas de agua

Aparte de los muros, hay otros elementos esenciales en una presa. Los aliviaderos tienen por misión liberar parte del agua retenida sin que esta pase previamente por la sala de máquinas. Se encuentra generalmente en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie. En la pared anterior de la presa (es decir, la que da al embalse), se instalan tomas de agua, de las que parten varias conducciones hacia las turbinas. En las tomas, aparte de una serie de compuertas que permiten regular la cantidad de agua que ha de llegar a la sala de máquinas, se colocan rejillas metálicas que impiden que elementos extraños (ramas, troncos, etc.) puedan alcanzar la sala de máquinas y dañar las turbinas.

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La central hidroeléctrica propiamente dicha

Según sean las características del salto de agua, altura y caudal, las turbinas instaladas serán unas u otras. Las más utilizadas son: las Pelton, de uno o varios inyectores, las Francis y las Kaplan. Las primeras suelen utilizarse en centrales con saltos a gran altura y caudal regular; las Francis, en centrales de saltos intermedios con caudales variables, y las Kaplan, en instalaciones de poca altura y grandes variaciones de caudal (véase Figura 39.1). En todos los casos, la turbina es solidaria al eje del rotor del alternador, por lo que, al presionar el agua sobre los álabes de la turbina se produce un giro en el rotor y, consecuentemente, se inducirá en el estator una corriente eléctrica de alta intensidad y media tensión. Esta, mediante un transformador, pasará a ser de baja intensidad y alta tensión, apta por lo tanto para su transporte y distribución. Aunque existe una potencia máxima suministrable por el alternador, la potencia de una central hidroeléctrica depende fundamentalmente del caudal y la presión del agua para los que está diseñada la turbina, de acuerdo con las características del salto.

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA Por la acción de una presa, ubicada en el lecho de un río, se acumula una cierta cantidad de agua formando un embalse. Con el fin de generar un salto, cuya energía potencial puede transformarse en eléctrica, se sitúan, aguas arriba de la presa, las tomas, formadas por una boca de admisión, protegida por una rejilla metálica, y por una cámara de compuertas que controla la admisión de agua a una tubería forzada. Normalmente, esta atraviesa el cuerpo de la presa y tiene por fin llevar el agua desde las tomas a las máquinas de la central. El agua, en la tubería forzada, transforma su energía potencial en cinética, es decir, adquiere ve-

locidad. Al llegar a las máquinas, actúa sobre los álabes del rodete de la turbina, haciéndolo girar y perdiendo energía. El rodete de la turbina está unido por un eje al rotor del alternador, que, al girar con los polos excitados por una corriente continua, induce una corriente alterna en las bobinas del estator del alternador. El agua, una vez que ha cedido su energía, es restituida al río, aguas abajo de la central. Solidario con el eje de la turbina y el alternador, gira un generador de corriente continua, llamado excitatriz, que se utiliza para excitar los polos del rotor del alternador. Normalmente, una central dispone de más de un grupo turbina-alternador. Todo el conjunto de turbinas suele estar alojado en una sala de máquinas o en un edificio de la central propiamente dicha. La energía hidráulica se aprovecha de la diferencia de nivel del agua en la presa, con respecto a una posición dada, donde el agua descarga al río. La expresión de la potencia es: Potencia (kW) = Q·H·g·η Siendo: Q = caudal en m3/s H = diferencia de alturas en metros g = aceleración de la gravedad = 9,8 m/s2 η = rendimiento (variable de 0,6 a 0,8) Así la potencia hidráulica de una central con un caudal de agua de 1 m3/s y una diferencia de altura de 25 m, es: Potencia hidráulica = 1 m3/s · 25 m · 9,8 m/s2 · 0,7 = 171,5 kW Y la energía producida al cabo de un año de funcionamiento continuo será: Energía =171,5 kW · 8.760 (horas al año)= 1.502.340 kWh = 1.502 MWh

El parque hidráulico español Al revés de lo que ocurre generalmente con las centrales termoeléctricas clásicas y nucleares, en las centrales hidroeléctricas no existe una relación directa entre la potencia instalada y su producción eléctrica, ya que esta no solo depende de la pri-

mera, sino también (y muy fundamentalmente) del régimen de lluvias y del caudal de los ríos. En España, en particular, la pluviosidad tiene un carácter irregular, variando acusadamente de unos años a otros y de unas zonas a otras. Asimismo, los ríos

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no son, en general, ni muy largos ni muy caudalosos. De ahí que haya años en los que la producción de origen hidroeléctrico se mantenga superior a la estimada para el año hidráulico medio (1979 es un claro ejemplo, con una producción hidroeléctrica de 47.473 millones de kWh, que suponía el 45% de la producción eléctrica total de dicho año) y años en los que la producción es netamente inferior (por ejemplo, 1981, en el que la producción hidroeléctrica se situó en 23.178 millones de kWh, el 21% de la energía eléctrica total producida; sin embargo, la potencia hidroeléctrica instalada en este último año, 13.579 MW, era superior a los 13.515 MW instalados en el año 1979). De las centrales hidroeléctricas instaladas a finales de 1984 en España, diecisiete tenían una potencia superior a 200 MW, las cuales suponían alrededor del 45% de la potencia hidroeléctrica existente. Entre ellas, las de mayor potencia instalada son la de José Mª de Oriol con 915,2 MW, la de Villarino con 810 MW y la de Aldeadávila con 718,2 MW, situadas respectivamente sobre los ríos Tajo, Tormes y Duero. En el futuro, el desarrollo hidroeléctrico español estará dedicado fundamentalmente a potenciar el papel cada vez más especializado que

se encomienda de forma creciente a los aprovechamientos hidroeléctricos: hacer frente a las variaciones instantáneas de la demanda eléctrica y suministrar energía en las “horas punta”. Esto se logrará mediante ampliación, modernización y automatización de las centrales existentes y construyendo nuevos aprovechamientos de estas características, dotados eventualmente de grupos de bombeo. Ello debe hacerse al ritmo que exija el aumento de las necesidades de este tipo de energía especializada. El desarrollo hidroeléctrico será, pues, más significativo en calidad que en cantidad, ya que el potencial hidroeléctrico utilizable, sobre todo con grandes aprovechamientos, está llegando a su límite superior y la construcción de nuevas plantas de este tipo podría entrar en muchos casos en conflicto con otras formas de utilización del suelo y de los recursos hidráulicos, o se realizaría a costes muy elevados, que encarecerían notablemente la energía eléctrica que se pudiera producir. Por otro lado, existe un programa de construcción de pequeñas centrales hidroeléctricas (especialmente en desniveles ya existentes) y de modernización, rehabilitación y automatización de antiguas instalaciones.

Tipos de centrales Los grupos (turbina-alternador) de mayor potencia son los de eje vertical, siendo los pequeños de eje horizontal. Los grupos utilizados en los bombeos modernos son binarios, es decir, la turbina hace de bomba cambiando el giro del grupo, y el alternador es motor a su vez. Aunque existe una gran variedad de tipos de centrales hidroeléctricas convencionales, dado que las características orográficas del emplazamiento de la central condicionan su diseño, podrían ser reducidos a dos modelos básicos, como se ha indicado en el Capítulo 35 de esta misma V Parte, siendo cada emplazamiento particular una variante de uno de ellos o una combinación de ambos. •

Aprovechamientos en derivación: El primer tipo, denominado “salto por derivación de las aguas”, consiste, en esencia y tal como muestra la Figura 39.2, en derivar el agua

•

de un río mediante un embalse pequeño o azud y conducirla, por medio de un canal en lámina libre, de manera que conserve su energía potencial. En un determinado punto se dirige el agua hacia una cámara de presión, de la que arranca una tubería forzada que conduce el agua hasta la sala de máquinas de la central. La energía liberada a causa del desnivel existente entre los extremos de dicha tubería es transformada, mediante grupos turbina-alternador, en energía eléctrica. Posteriormente, el agua es restituida al río aguas abajo, utilizando un canal de descarga. Este tipo de central se llama también de “tipo fluyente” ya que no permite apenas almacenar la energía en el embalse. Aprovechamientos de regulación: el segundo sistema de aprovechamiento, o salto de acumulación de las aguas en un tramo de un río


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Figura 39.2. Esquema de aprovechamiento en derivación.

que ofrece un desnivel apreciable, consta de una presa de determinada altura que conforma un embalse. El nivel del agua alcanzará, entonces, un punto sensiblemente cercano al extremo superior de la presa. A media altura de la misma, para aprovechar el volumen de embalse a cota superior, se encuentra la toma de aguas; y en la base inferior (aguas abajo de la presa) la sala de máquinas, que aloja al grupo (o grupos) turbina-alternador.

La energía liberada por el agua al caer por una conducción forzada que atraviesa la presa se transforma, mediante dicho grupo (o grupos), en energía eléctrica. El agua a presión de la tubería forzada va transformando su energía potencial en cinética, es decir, adquiere velocidad. Al llegar a las máquinas, actúa sobre los álabes del rodete de la turbina, haciéndolo girar. La Figura 39.3 muestra el principio de funcionamiento.

Figura 39.3. Esquema de aprovechamiento de regulación.

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Los aprovechamientos de usos múltiples son aquellas posibilidades hidráulicas que se construyen para atender distintos tipos de usos, como son el abastecimiento, el riego, la regulación general de la cuenca o una parte de ella, o la laminación de avenidas. En estos aprovechamientos de usos múltiples, aunque su origen está básicamente

en la satisfacción de las demandas consuntivas consideradas prioritarias, es posible también el aprovechamiento hidroeléctrico de los caudales desembalsados mediante una central hidroeléctrica, generalmente a pie de presa, donde se turbinan los caudales que luego se destinan a riego, abastecimiento o a otros usos.

Centrales reversibles Una central hidroeléctrica reversible es aquella que además de poder transformar la energía potencial del agua en electricidad, tiene la capacidad de hacerlo a la inversa, es decir, restituir la energía potencial al agua (por ejemplo, subiéndola a un embalse) consumiendo para ello energía eléctrica. De esta manera puede utilizarse como un método de almacenamiento de energía (una especie de batería gigante). Están concebidas para satisfacer la demanda energética en horas pico y almacenar energía en horas valle. Aunque lo habitual es que estas centrales turbinen o bombeen el agua entre dos embalses a distinta altura, existe un caso particular llamado centrales de bombeo puro donde el embalse superior se sustituye por un gran depósito cuya única aportación de agua es la que se bombea del embalse inferior. La demanda eléctrica varía constantemente, y es necesario que las centrales eléctricas generen la energía demandada en cada instante. Existen centrales que, debido al tipo de tecnología de gene-

ración que emplean, no pueden variar fácilmente la energía generada (centrales nucleares), mientras que otras centrales (centrales térmicas convencionales) tienen diversas restricciones técnicas y económicas sobre estas variaciones. Las centrales hidroeléctricas son una de las tecnologías que menores restricciones presentan a la variación de carga. Utilizando estas centrales, se suaviza la curva de la demanda, con lo que se reducen las variaciones de energía que tienen que realizar las tecnologías menos apropiadas para ello. De este modo las centrales reversibles bombearían en las horas valle y turbinarían en las horas punta. La Figura 39.4 muestra las partes de una central hidroeléctrica reversible. La central hidroeléctrica reversible está compuesta por: • •

Un embalse situado al pie de la central (tanque inferior). Un embalse situado a mayor altura que será al que se bombeará el agua.

Figura 39.4. Central eléctrica reversible.


La central estará formada por un conjunto de turbinas (normalmente turbinas Francis) y generadores (habitualmente síncronos), para producir la energía eléctrica. En el caso de las centrales de bombeo puro, el embalse superior consistirá en un depósito elevado de la capacidad suficiente para funcionar de cuatro a seis horas. Si es posible, es mejor que este depósito sea como una caverna, de esta manera se evita la evaporación de agua. Es preferible, casi imprescindible, que tanto las bombas como las turbinas funcionen a potencia y caudal nominal. De este modo en las horas valle de mínima demanda energética todas las bombas están encendidas, bombeando agua hacia el embalse superior. A medida que la demanda va creciendo se van apagando bombas. Hasta que empiezan las horas pico, momento en el que todas las bombas están apagadas, no se empiezan a encender turbinas, generalmente Fran-

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cis. En momentos de máxima demanda todas las turbinas pueden estar encendidas. De esta manera la gráfica de la demanda energética es muy parecida a la gráfica de bombeo-generación de una central hidroeléctrica reversible, solo que esta última es “dentada” debido al componente discreto de las bombas. Las centrales hidroeléctricas reversibles tienen un menor rendimiento cuando están trabajando como bombas que cuando están funcionando como turbinas. Las centrales reversibles más importantes de España son: • • • • • •

La Muela (Valencia): 628 MW. Sallent-Estany Gento (Lleida): 451 MW. Tajo de la Encantada (Málaga): 360 MW. Aguayo (Cantabria): 339 MW. Moralets-Llauset (Lleida/Huesca): 210 MW. Guillena (Sevilla): 210 MW.

Energía minihidráulica Las grandes centrales hidráulicas tienen un impacto ambiental considerable. Como los embalses se deben construir en la cuenca de un río, afectan el cambio de hábitat, la pérdida de tierra y la emigración para los habitantes. Los embalses y las presas impactan visualmente, inundan las tierras y obligan a situar en otros lugares a los habitantes de los pueblos inundados. En contraste, las centrales minihidráulicas pueden ayudar al crecimiento de las pequeñas comunidades alejadas o marginadas de las redes eléctricas, a una escala compatible con el entorno, y tienen la ventaja de respetar el cauce sin producir efectos negativos en la cuenca del río. Los lugares ideales son cambios rápidos en el nivel de los ríos con mucha pendiente, y barreras naturales como las asociadas con molinos antiguos. En caso de existir alguna presa, no deben sobrepasar los 15 m de altura y la potencia no superará los 10 MW. Suelen ser instalaciones modestas, que comenzaron a construirse a principios del siglo XX y que daban luz a pequeñas poblaciones. El desnivel medio en España viene a ser de unos 800 m, mientras que en otros países más montañosos y con desniveles más pronunciados,

es más fácil aprovechar esta energía. En los Alpes hay desniveles de hasta 3.000 m y muchos saltos de 200, óptimos para el aprovechamiento minihidráulico en casi todos los lugares. En Noruega, por ejemplo, el 98% de la energía procede de la hidráulica. En el país de Gales incluso aprovechan desniveles tan pequeños como 3 m gracias al rendimiento de los actuales generadores. Un pequeño embalse de 4 ó 5 km2 puede mantener en funcionamiento una turbina de 10 kW, de modo que pueden aprovecharse cientos de pequeños ríos en el mundo para satisfacer las necesidades domésticas o de granjas en el medio rural. En las centrales minihidráulicas deben distinguirse varios tipos, atendiendo a su lugar en el río y al tipo de turbina. En el primer caso existen las de alta montaña y las de curso bajo. Las primeras poseen un caudal pequeño pero un salto elevado, mientras que las de curso bajo o medio, al contrario, poseen un caudal alto con un salto pequeño. El recurso hidráulico se puede evaluar directamente según los datos de caudal tomados a intervalos del arroyo/río, en puntos seleccionados de la cuenca, o bien de modo indirecto usando datos

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meteorológicos de la región, específicamente de precipitación, complementado sobre datos hidrológicos de cuencas y del tipo de suelo. La potencia hidráulica de aprovechamiento se determina mediante el uso de los histogramas y así se determina el caudal de mayor frecuencia estadística. La potencia efectiva depende de la fracción de caudal del río, de las pérdidas en el circuito hidráulico, de los rozamientos en las tuberías de presión, etc., y del rendimiento de la turbina. Por ejemplo, para un río que tenga un caudal mínimo de 0,5 m3/s (mes de agosto) se toma el 40% de dicho caudal, es decir, que el caudal efectivo se considera que es 0,20 m3/s. Si se tiene una diferencia de alturas entre la toma y la turbina de unos 25 m, el rendimiento conjunto de la instalación, es decir, la relación entre la energía útil que

se extrae de la turbina y la energía potencial disponible, se estima en 0,67. La altura estática es de 25 m; si se considerasen las pérdidas por rozamiento en la tubería (< 5%) habría que tomar una altura efectiva algo menor. Con estos datos la potencia de la central es: Potencia (kW) = 9,81 · caudal medio/año (m3/s) · altura agua (m) · rendimiento Potencia = 9,81 · 0,2 · 25 · 0,65 = 31,8 kW La energía anual máxima generada en la central es: Energía = potencia (kW) · horas año = 31,8 · 8.760 = 278,6 MWh

Ventajas y desventajas de las centrales hidráulicas En la Tabla 39.3 se indican, de forma resumida, las ventajas y desventajas de este tipo de energía renovable. Tabla 39.3. Ventajas y desventajas de la energía hidráulica (Fuente: A. Creus). VENTAJAS

DESVENTAJAS

Coste

El coste es reducido. Actualizando la red de transmisión el coste se amortiza.

El coste excede al previsto. Si aparecen nuevas fuentes más baratas se pierde la inversión.

Cambio lugar de residencia

La nueva residencia para millones de personas suele ser preferible que el no disponer de energía eléctrica.

La nueva residencia para la gente es peor que la vivienda de antes que ahora va a quedar inadecuada.

Medio ambiente

La energía hidroeléctrica es más limpia que la combustión de combustibles fósiles y más segura que las centrales nucleares y se realizarán pasos para proteger el medio ambiente.

Aumentan la polución del agua y la deforestación, la línea del agua erosionará el terreno y el ecosistema se alterará dañando a muchas especies, principalmente peces.

Patrimonio cultural y de la naturaleza

Se trasladarán muchos monumentos pero el escenario natural no cambiará demasiado.

El embalse inundará muchos lugares de los desfiladeros y barrancos y dañará la industria local de turismo.

Navegación

La navegación será más rápida, más barata y más segura ya que las aguas rápidas serán más lentas y se instalarán compuertas para los barcos.

La arena cerrará los puertos en pocos años y perjudicará la navegación.

Potencia

Las nuevas energías alternativas están poco desarrolladas, de modo que la demanda de energía hidroeléctrica barata aumentará.

Los avances tecnológicos han convertido las grandes centrales hidroeléctricas en obsoletas y los usuarios van a cambiar a un mercado descentralizado de energía.

Control de avenidas

La capacidad de contención de avenidas del embalse compensará las avenidas más importantes. El riesgo de que el embalse se desborde es despreciable.

La acumulación de sedimentos disminuirá la capacidad del embalse con lo que este no será capaz de contener el desbordamiento de los ríos afluentes.

La energía del océano

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TODOS LOS RECURSOS DE ENERGÍA PROCEDENTE DEL MAR, EN ESPAÑA, ESTÁN POR EXPLOTAR • •

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Teniendo en cuenta que cerca del 40% de la población mundial vive a menos de 40 km de la costa, y el porcentaje aumentará, es preciso potenciar la extracción de energía del mar. Las mareas, que se aprecian cada doce horas, pueden proporcionar un potencial energético muy grande. En España, la energía maremotriz, solo puede desarrollarse en algunos parajes de la costa atlántica española. Existen dos sistemas básicos de captar la energía de las mareas: a base de una presa (como el río Rance, en Francia) o instalando turbinas en el fondo de bahías o estuarios sometidos a mareas. Estas tienen menor impacto pero son menos eficaces. Tanto un tipo de turbina como otro son reversibles y generan electricidad en un sentido u otro de la corriente. Una ola de 1,5 m de altura con un periodo de diez segundos representa una potencia de 14,5 MW/km de costa. De cara a la obtención de energía el factor más importante es la altura de la cresta de la ola ya que la energía asociada depende del cuadrado de la misma. Las olas se desplazan a gran distancia sin perder, prácticamente, energía. A ello hay que añadirle el hecho de que la densidad del agua es 800 veces mayor que la del aire. Si a ello se le suma el hecho de que la energía transmitida depende del cubo de la velocidad, se comprende que la energía en juego es inmensa. La energía de las olas es mucho más regular que la eólica en tierra. Los factores de concentración de energía, en el caso de las olas, conduce a que, a igualdad de energía, una central oleomotriz ocupe solo un espacio 1/200 de una homóloga eólica en tierra. La energía desarrollada por las olas tiene un gran potencial de aplicación, en particular en la costa cantábrica. El potencial del mar Cantábrico oscila de 60 a 70 MW/km de costa, mientras que el Mediterráneo es de 10 MW/km. Las instalaciones extractoras de energía de las olas ocupan sólo 1/200 del espacio necesario en las instalaciones eólicas. Con la tecnología disponible en la actualidad, se calcula que el potencial undimotriz español sería de 6 TWh/año, que ocupando una parte importante del litoral, generaría el 2,5% de la corriente consumida. Es obvio que hacen falta recursos e investigación para, en diez años, conseguir que de las olas se extraiga el 10% de la energía eléctrica nacional.

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Los espigones y escolleras deberían diseñarse y construirse de manera que fueran verdaderas centrales eléctricas, a base de usar el principio de: las olas comprimen aire que, a su vez, obliga a mover una turbina. La producción de energía de las olas sigue la variabilidad estacional de más energía en invierno y menos en verano. Las olas generadas por tempestades se desplazan sin pérdida significativa de energía por lo que son más estables y previsibles. En España, a partir de 2007, existen diversos proyectos: en Asturias un sistema modular de boyas va a generar 14 MW, en Cantabria, otro modelo de boya va a generar 1,4 MW, mientras que en País Vasco se va a usar la tecnología de columna de agua oscilante acoplada a escolleras. En el mundo se han aplicado otros muchos sistemas. Por ejemplo, en Portugal, se ha puesto en marcha una “serpiente marina” de 0,75 MW, y en los países nórdicos existen muchas iniciativas. Los expertos calculan que, con la tecnología actual, Galicia podría ser autosuficiente desde el punto de vista eléctrico solo con las olas. Todos los estrechos (Gibraltar o los que existen entre islas o islas y continente) o las grandes corrientes marinas naturales (la corriente del Golfo) son fuente inagotable de energía. Instalando turbinas sumergidas, a partir de 1 m/s se puede producir energía. Una de las ventajas estriba en precisar muy poca ocupación por la gran energía que puede producir. El estrecho de Gibraltar, como la mayoría de estrechos, es aparentemente una zona propicia para aprovechar las corrientes marinas. Estudios recientes comprobaron que en la mejor zona, en las cercanías del cabo Camarinal (Cádiz), a unos 300 metros de profundidad, el caudal submarino transportado desde el Mediterráneo hasta el Atlántico era de 100.000 m3 por segundo; aunque la velocidad apenas alcanza los 2,8 m/s. Sin embargo, con las nuevas tecnologías se requieren palas de menor tamaño que permitirían aprovechar de manera rentable esta energía potencial. Muchos ríos y estuarios, como el East River (Nueva York), ya tienen instaladas turbinas en su lecho. Los expertos auguran que aprovechando de esta manera la corriente del Golfo, en la costa este de EE UU, se podría generar la energía suficiente para la demanda interna de todo el país. Una corriente marina sostenida de 5 nudos (2,5 m/s) equivale, energéticamente, a una velocidad del viento de 270 km/h. Ocupando las mismas áreas de emplazamiento que la eólica o la solar, una turbina marina puede generar una potencia 180 veces mayor. A escala mundial, la variante oleomotriz podría abastecer la demanda eléctrica del planeta. De momento, un problema técnico consiste en el transporte de la energía generada a tierra. Con la tecnología actual tramos de más de 35 km son problemáticos. Por lo que hace referencia a las centrales maremotérmicas su potencial es enorme, si bien por ahora sus rendimientos son modestos. Una de las grandes opciones de futuro consiste en la obtención de agua dulce a partir del agua de mar. En los estuarios y bahías las diferencias de salinidad entre el agua del mar y la procedente de los ríos serán, en un próximo futuro, una fuente importante de generación de electricidad. Las posibilidades de la “energía salina” son enormes: Si se sacara partido de ella en todos los estuarios del mundo se podría cubrir el 20% de la demanda energética mundial. Llevando a cabo un cálculo conservador, con la tecnología disponible en 2008, la generación de electricidad extraída del océano sería del orden de tres veces las necesidades mundiales.

Introducción La superficie de la Tierra es de 5,1·1014 m2, de los cuales el 70% corresponde a los océanos, lo que representa un área de 3,57·1014 m2. La profun-

didad media de los océanos es de 3.794 m, lo cual da un volumen de agua de 1.354·1015 m3 (1.354 millones de km3), una tercera parte del volumen de


la atmósfera, que se puede visualizar en la Figura 20.1 del Capítulo 20 de la Parte III. La temperatura superficial de los océanos es de 17 ºC, en las profundidades del orden de 2 ºC. A 1 m de profundidad el 90% de la radiación solar es absorbida. Entre los 100 y los 300 m existe una zona de rápido descenso de la temperatura, denominada termoclina. Los primeros 10 m de profundidad acumulan un 50% más de calor que toda la atmósfera. Con un promedio de 3,8 km de profundidad, mares y océanos cubren cerca del las tres cuartas partes de la superficie de nuestro planeta y constituyen un enorme depósito de energía siempre en movimiento. En la superficie los vientos provocan olas que pueden alcanzar hasta 12 m de altura, 20 m debajo de la superficie, las diferencias de temperatura (que pueden variar de -2 ºC a 25 ºC) engendran corrientes; por último, tanto en la superficie como en el fondo, existe la conjugación de las atracciones solar y lunar que dan lugar a las mareas.

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El promedio de la energía absorbida por los océanos, para una media de 190 W/m2, se evalúa en 65·106 GW, lo que podría equivaler, según la eficiencia de la conversión energética a 150·106 TWh/año, lo que supone unas mil veces la demanda anual de energía primaria. La energía que puede extraerse del océano, puede dividirse en: • • •

•

•

Energía gravitatoria (mareas). De ahí surgen las centrales hidroeléctricas. Energía del viento sobre el mar (olas). Denominada energía oleomotriz o undimotriz. Las corrientes marinas (efecto Venturi) llegan a alcanzar entre 5 y 8 nudos en canales o estrechos y en profundidades de 20 a 30 m. Energía térmica. En latitudes tropicales hay notable diferencia de temperatura entre la superficie y el agua a centenares de metros de profundidad. Energía osmótica. La que puede generarse cuando se pone en contacto el agua dulce de los ríos con la salada del mar.

La energía de las mareas La energía maremotriz es la que resulta de aprovechar las mareas, es decir, la diferencia de altura media de los mares según la posición relativa de la Tierra y la Luna, y que resulta de la atracción gravitatoria de esta última y del Sol sobre las masas de agua de los mares. Esta diferencia de alturas puede aprovecharse interponiendo partes móviles al movimiento natural de ascenso o descenso de las aguas, junto con mecanismos de canalización y depósito, para obtener movimiento en un eje. Mediante su acoplamiento a un alternador se logra utilizar el sistema para la generación de electricidad, transformando así la energía maremotriz en energía eléctrica, una forma energética más útil y aprovechable. Una de las características más importantes de esta energía renovable es la disponibilidad en cualquier clima y cualquier época del año. Su aportación podría ser de 640.000 GWh anuales, con una potencia del orden de 0,4 TW. La energía maremotriz tiene la cualidad de ser renovable, en tanto que la fuente de energía prima-

ria no se agota por su explotación, y es limpia, ya que en la transformación energética no se producen subproductos contaminantes gaseosos, líquidos o sólidos. La marea se aprecia en un periodo de doce horas. La Luna gira alrededor del centro de masas del sistema Tierra-Luna cada 27,3 días, en la misma dirección en la que gira la Tierra cada 24 horas, por lo que el sistema de rotación de la Tierra con respecto al conjunto Tierra-Luna es de 24 horas y 50 minutos. Ello explica el porqué las mareas se retrasan, aproximadamente, una hora con respecto al día precedente. Las grandes mareas vivas tienen lugar cuando el eje de actuación del Sol y la Luna coinciden. Por el contrario, las mareas muertas acontecen cuando el eje de influencia de ambos astros se encuentran desfasados 90º. De manera general las mareas siguen los siguientes ciclos: •

Un ciclo diario aproximadamente cada doce horas debido a la rotación de la Tierra en el

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Figura 40.1. Esquema de funcionamiento de la energía mareomotriz.

•

campo gravitatorio de la Luna, dando lugar a dos ciclos diarios de pleamar y bajamar. Un ciclo mensual de catorce días resultado de la combinación de los campos gravitatorios de la Luna y el Sol, que da lugar a mareas vivas (máximas) y muertas (mínimas).

El sistema de aprovechamiento de energía consiste en almacenar el agua en el momento de la marea alta y liberarla, obligándola a pasar por las turbinas durante la bajamar. Cuando la marea sube, el nivel del mar es superior al del agua del interior de la ría. Abriendo las compuertas, el agua pasa, como muestra la Figura 40.1, de un lado a otro del dique, y sus movimientos hacen que también se accionen las turbinas de unos generadores de corriente eléctrica situados junto a los conductos por los que circula el agua. Cuando, por el contrario, la marea baja, el nivel del mar es inferior al de la ría, el movimiento del agua va en sentido contrario que el anterior pero también se aprovecha para producir electricidad.

POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA DE LAS MAREAS En España solo existen posibilidades en la costa atlántica y han sido poco estudiadas. Sin embargo, se han realizado plantas en numerosos sitios:

•

• • • •

Bahía de Fundy (Canadá). De momento hay una central de 20 MW, no obstante existen grandes proyectos ya que se trata del lugar donde se producen las mayores mareas del mundo. Bahías de Cobscook y Passamaquoddy, en EE UU. Bahías Punta y San José, en Argentina. Estuario del río Serven, en el Reino Unido, con un desnivel de 13,6 m. Río Rance (240 MW) y Chausey, en Francia.

Solo en China se han contemplado más de 500 ubicaciones, en Rusia, en Japón, etc. En Stingray (Islas Sheatland) y en el canal de Bristol, se ha instalado una turbina a 36 m de profundidad. Una pala, que sujeta la turbina, posiciona la turbina según la orientación de la corriente marina. La central de Bristol aprovecha una corriente de 2,7 m/s y unas palas ancladas a 15 m por debajo de la superficie, y genera 290 kW. Estas centrales, si bien se mueven por la corriente generada por la marea, no almacenan agua. A diferencia de ellas, la central de La Rance con una potencia de 240 MW produce 554 GWh al año (deducida la energía del bombeo) y dispone de una turbina Kaplan horizontal de 5,35 m de diámetro. La marea aporta un caudal de 18.000 m3/s (el triple

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La energía del océano Tabla 40.1. Proyectos de centrales maremotrices. Marea (m)

Dique (km)

Energía GWh/año

Canadá

País

Bahía Fundy

11,7

8

11.700

Reino Unido

Severn

7,0

17

12.900

Reino Unido

Solway Firth

5,5

30

10.050

India

Khanbhat

6,1

25

16.400

del caudal del Ródano en avenida) y su amplitud alcanza los 13,5 m. El dique del estuario tiene unas compuertas que permiten el paso de 4.000 m3/s. Por lo general el tiempo aprovechado del ciclo de las mareas es del orden del 40%. Este es el motivo, al margen del impacto ambiental, por el que no se han desarrollado muchos proyectos. La Tabla 40.1 muestra los principales parámetros, amplitud de la marea, longitud del dique a fabricar y energía prevista, de una serie de proyectos.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA MAREMOTRIZ Una de las ventajas más importantes de estas centrales es que tienen las características principales de cualquier central hidroeléctrica convencional, permitiendo responder de forma rápida y eficiente a las fluctuaciones de carga del sistema interconectado, generando energía libre de contaminación y de variaciones anuales o estacionales, a un costo de mantenimiento bajo y con una vida útil prácticamente ilimitada. Es autorrenovable, no contaminante, silenciosa; la materia prima, el agua, es de bajo coste, funciona en cualquier clima y época del año, no presenta problemas de sequía como la hidráulica, dado que el promedio de amplitudes de marea prácticamente se puede considerar constante a lo largo del año, y puede proporcionar protección contra las inundaciones en la costa debidas a las altas mareas, gracias a la capacidad del embalse. El aumento en los niveles bajos de agua y una reducción general en las corrientes y en la turbidez harán que el embalse sea más atractivo para los deportes y el disfrute acuático. En particular, en zonas de gran extensión, la oportunidad de construir una carretera a través del embalse será un gran beneficio. Dentro de las desventajas se encuentran la necesidad de una alta inversión inicial (por otra parte característica de cualquier obra de explotación energética) y con un tiempo de construcción de va-

rios años en los grandes proyectos. La operación es intermitente con factores de carga relativamente bajos (22-35%). La vida útil de la planta puede ser larga (120 años la estructura; 40 años el equipo), pero el alto coste y el tiempo de construcción excesivamente largo son desventajas que han hecho desistir de su elección en muchos proyectos. Las centrales maremotrices pueden causar cambios en el ecosistema del estuario, por lo que debe realizarse un estudio de impacto ambiental específico. Hay que tener en cuenta que la salinidad se reducirá, como resultado de la disminución del volumen de agua de mar que entra en el estuario, y que las corrientes y el área bañada en el embalse se van a reducir a la mitad. Estos cambios hidrodinámicos pueden influir en la calidad del agua y en el movimiento y composición de los sedimentos de fondo. Cualquier reducción en la turbidez del agua puede aumentar la productividad biológica primaria, con los efectos correspondientes en la cadena trófica. Habrá un impacto visual y estructural sobre el paisaje costero, que variará según la amplitud de las mareas, y un efecto negativo sobre la flora y fauna, aunque con el tiempo pueden aparecer nuevas especies y compensarlo. Por lo que hace referencia a España, este tipo de energía solo puede contemplarse en algunas zonas de la costa atlántica. Tabla 40.2. Coste estimado de una central mareomotriz de 2.500 MW (Fuente: A. Creus).

Central maremotriz

200 millones de €

Central de bombeo

110 millones de €

Central de comunicación

1.200 millones de €

Embalse con tomas

25 millones de €

Equipamiento electromecánico externo

35 millones de €

Obras complementarias

30 millones de €

Imprevistos (25%) TOTAL

400 millones de € 2.000 millones de €

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La energía de las olas La energía de las olas, o energía undimotriz, ha sido acogida como la más prometedora fuente de energía renovable para los países marítimos. No causa daño ambiental y es inagotable, las olas van y vienen eternamente. Las olas son un producto de la energía solar, ya que el sol calienta la superficie terrestre generando zonas de diferente presión que producen los vientos, de estos las olas recogen y almacenan la energía. El 0,3% de la energía solar se transforma en energía de olas, estas tienen la capacidad de desplazarse grandes distancias con un mínimo de pérdida de energía. La energía cinética de las olas es enorme, por ejemplo, una ola de 1,5 m de altura y de periodo diez segundos, representa una potencia de más de 14,5 MW por km de costa. Las olas suponen un recurso potencial mundial de alrededor de 5 TW de potencia, lo que permite desarrollar una energía de 22.000 TWh/año. Sin embargo, existe una cierta desconfianza en la tecnología de extracción de energía de las olas del mar, debido al fracaso de algunos dispositivos por tormentas, el alejamiento de las zonas extractoras de energía de la costa, la corrosión del mar y el impacto ambiental que pueden provocar las centrales. Existen en el mundo más de 1.500 patentes sobre dispositivos de aprovechamiento de la energía de las olas y muy pocos de ellos han tenido éxito. A diferencia de la energía hidroeléctrica, la energía de las olas no puede contar con el flujo de agua en una sola dirección. No es posible colocar una rueda de agua en el mar y hacerla girar y generar electricidad, a pesar de que, para el espectador en la costa, parecería que las olas avanzan hacia la costa en línea recta. Leonardo da Vinci observó que, cuando el viento soplaba sobre un trigal, parecía que olas de trigo corrían a través del trigal, mientras que, en efecto, solo las puntas individuales se movían ligeramente. Lo mismo sucede con las olas en el mar, que también pueden compararse con el movimiento de una cuerda para saltar a la comba. Cuando se mueve uno de sus extremos, una forma de onda se transporta al otro, pero la cuerda misma no avanza.

Una ola se desplaza hacia adelante en un movimiento esquivo, arriba y abajo. Su altura máxima es la indicación clave de su fuerza. De manera que, cuanto más agitado está el mar, más potencialmente fructífero será, pero también más difícil resulta cosechar su energía. Por ende, los ingenieros de energía de las olas deben diseñar una central eléctrica capaz de absorber la fuerza de las olas más feroces sin peligro de naufragar. Desafortunadamente, las tecnologías para aprovechar las grandes reservas energéticas acumuladas en los océanos se encuentran todavía en estadios tempranos de desarrollo, y los altos costes iniciales de su implantación suponen una gran desventaja frente a otras fuentes alternativas. Esto supone un freno aún mayor para gobiernos y empresas privadas a la hora de invertir en la investigación de nuevas tecnologías. Pese a todo, los expertos confían en que los problemas técnicos y económicos se superen en los próximos años, planteando entre las posibles opciones el uso de las estructuras de las centrales con otros usos no directamente relacionados con la energía: lugares de ocio, puentes, etc. Existen una serie de argumentos a favor del aprovechamiento de la energía del océano con relación a otras fuentes de energía: • •

•

•

•

Las olas se trasladan a distancias considerables sin pérdida significativa de energía. Las olas contienen 1.000 veces más energía que la eólica, al ser el agua salada mucho más densa que el aire, lo que permite que aparatos más pequeños produzcan más energía en menos espacio. La energía de las olas varía en función del cuadrado de la altura de la ola, mientras que la energía eólica varía en función del cubo de la velocidad. Siendo el agua 850 veces más densa que el aire se obtiene más energía con las olas. Las instalaciones extractoras de energía de las olas ocupan solo 1/200 del espacio necesario en las instalaciones eólicas. El impacto visual de los aparatos de aprovechamiento de la energía de las olas es


•

•

menor que el de los eólicos. Los rotores eólicos están situados a una altura de 40-60 m sobre la superficie, mientras que los de las olas pueden ser integrados en rompeolas de áreas portuarias o situados a gran distancia de la costa en mar abierto. La energía de las olas es más continua, mientras que la eólica muere por la noche y en la mañana y la solar actúa durante el día en áreas sin nubes. Gracias a la experiencia de las plataformas petrolíferas, en el mar se dispone de materiales experimentados y a un menor coste que los eólicos.

DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA DE LAS OLAS Existen en todo el mundo zonas con una altísima energía de las olas. Las áreas de más energía son las costas de Escocia, norte de Canadá, Sudáfrica, Australia y las costas noreste y noroeste de Estados Unidos. En el noroeste del Pacífico, cabe esperar de 40 a 70 kW por metro lineal de costa; como la costa oeste de EE UU es de 1.800 Km, esto proporcionaría un máximo de potencia comprendida entre 72.000 y 126.000 MW. El total de la potencia mundial oleomotriz se estima en 5 TW.

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La Figura 40.2 muestra un esquema de las isozonas de energía de las olas. En España el Ministerio de Industria y Energía evaluó de forma aproximada el potencial energético en las costas españolas en 1979, estimándose la potencia total disipada en unos 37.650 MW, con valores medios de potencia de unos 25 kW/m lineal en el océano Atlántico y menos de 11 kW/m lineal en el mar Mediterráneo. En la actualidad las potencialidades, en particular debido al desarrollo mecánico de los sistemas convertidores de energía, han mejorado mucho y la estimación de recursos es muy superior. Existen estaciones de toma de datos de las olas repartidos por todo el mundo. En España, el sistema permanente de observación marina de puertos del Estado está constituido por diversas redes estables de medida: redes exterior y costera de boyas, redes de mareógrafos, estaciones meteorológicas portuarias y radares de oleaje. Estas redes están destinadas a obtener, en tiempo real, información detallada sobre las características físicas (oleaje, corrientes, temperaturas, vientos, etc.) de las aguas que bañan las costas españolas. En 2008, y de acuerdo con la tecnología disponible, las cifras se pueden resumir en: • Costa atlántica: de 60 a 70 kW por metro de cresta de ola. • Costa mediterránea: alrededor de 10 kW/m. Su aprovechamiento generaría, con la tecnología disponible, unos 6 TWh/año, lo que representa, ocupando un 10% de la costa, la producción del 2,5% de la energía que consumió España en 2006. Se espera que cuando mejore la tecnología se pueda fijar una meta de 10% de la energía eléctrica precisa.

CÁLCULO DE LA ENERGÍA DE UNA OLA

Figura 40.2. Potencial energético de la energía de las olas en Europa (kW/m).

El viento fricciona y arrastra la superficie del agua que forma unas rizaduras llamadas olas capilares. Cuando el viento arrecia, las olas capilares se agrandan gracias a la tensión superficial que las mantiene unidas y dan paso a las olas de gravedad. La fuerza de la tensión superficial y la gravedad provocan el avance de la deformación. La gravedad tensa y mueve las olas más grandes. Desde el punto de vista energético, una ola es el resultado de la transferencia de la energía del

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viento al agua. La energía de las olas es la suma de la energía potencial y la cinética:

Siendo: γ = peso específico del agua en kg/m3 = 1.028 kg/m3 H = altura de la ola, distancia entre la cresta y el valle (m) b = anchura de la cresta o longitud del frente de ondas T = período (s) La potencia por unidad de longitud (m) de un frente de ola, en función del periodo es:

Existen programas informáticos que facilitan los cálculos de la energía de las olas. A partir de la profundidad del lugar (m), el periodo (segundos) o la frecuencia (Hz), y la dirección de la ola en (grados), determinan la longitud de onda L (m), la celeridad C de la ola en m/s, la dirección en grados, los coeficientes de reflexión (la ola choca contra un obstáculo vertical y se refleja con muy poca pérdida de energía), de difracción (dispersión de la energía del oleaje a sotavento de una barrera) y refracción (cambio de dirección que experimenta la ola, cuando esta se acerca a una zona de menor profundidad, tal como una playa), la altura de la ola H, y la velocidad del grupo de olas en aguas poco profundas. Otros resultados adicionales que proporcionan estos programas son la energía de la ola y la velocidad en el fondo.

CLASIFICACIÓN SEGÚN EL SISTEMA DE CAPTACIÓN La Figura 40.3 muestra la clasificación de los dispositivos generadores de energía en función de su ubicación. La denominación de 1ª, 2ª o 3ª generación obedece al tiempo en el que fueron diseñados y probados los primeros prototipos. La clasificación más científica aparece seguidamente. Los principios básicos de funcionamiento de los sistemas de captación de energía son: %

Se trata de dispositivos basados en el aprovechamiento de la diferencia de presión creada por el oleaje en un fluido, normalmente aire, que opera como medio de transferencia. Cabe destacar dos tipos principales: •

Columna de agua oscilante (oscilatin water column, OWC). Consiste en una cámara semisumergida que está abierta por la parte inferior de forma que el movimiento alternativo de las olas haga subir y bajar el nivel de agua en la misma, desplazando el volumen de aire interno. Cuando la ola incide, el aire se comprime dentro de la cámara y sale al exterior a través de una turbina. Del mismo modo, cuando la ola se retira, el aire fluye hacia el interior de la cámara accionando nuevamente la turbina, que requiere un diseño especial para hacerla girar en el mismo sentido con un flujo bidireccional. De todos los sistemas es, posiblemente, el más fácil de adaptar (basta con fijarse la manera en que el oleaje rompe contra un

Figura 40.3. Clasificación de los dispositivos según su ubicación.


701

Figura 40.4. Central eléctrica de columna oscilante.

•

acantilado y ver la forma de canalizar una parte del agua que, a su vez, comprima una columna de aire). La Figura 40.4 muestra una variante del modelo que debe llevarse a cabo cerca de la costa. De hecho el sistema de la Figura 40.4 es un modelo mixto. La ola penetra en el recinto y obliga a ascender una columna de agua y a oscilar (CAO). A su vez, esta comprime el aire que es obligado a pasar a través de una turbina, donde genera electricidad. Una interesante variante de este sistema es el almacenamiento de aire comprimido. Este se guarda en grandes depósitos y se expande en una turbina para regular las puntas de demanda. Efecto Arquímedes. Se basa en la fluctuación de la presión estática originada por la oscilación del nivel del agua al paso de la ola. Básicamente se trata de una cámara de aire cerrada que puede variar su volumen en función de la presión a la que es sometida. La parte inferior de la cámara se fija al fondo, mientras que la superior puede desplazarse verticalmente. El aire de la cámara se comporta como un muelle cuya rigidez puede modificarse bombeando agua hacia el interior o exterior de la misma (combinando el volumen de la cámara). La Figura 40.5 muestra un modelo de funcionamiento desarrollado por una empresa holandesa.

Figura 40.5. Generador basado en el principio de Arquímedes.

%

Se trata de dispositivos constituidos por un cuerpo flotante que es movido por las olas. El movimiento oscilatorio que se aprovecha puede ser vertical, horizontal, en torno a un eje (cabeceo) o una combinación de ellos.

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Figura 40.6. Dispositivo flotante activado por el oleaje.

Por otra parte, el movimiento puede ser absoluto: un mecanismo flotante pero anclado en el fondo, es el tipo más abundante. Los esfuerzos a que se ven sometidos los amarres son importantes y, además, están potenciados por las mareas o movimiento relativo entre dos o más artilugios. Estos últimos suelen ser cuerpos articulados unidos a plataformas flotantes estables y disponen de una masa inercial interna considerable. El más desarrollado de ellos es “la serpiente” representada en la Figura 40.6. En la “serpiente” cada “cilindro metálico”, que tiene 3,5 m de diámetro y unos 30 m de longitud, alberga en su interior una serie de depósitos de aceite. El movimiento balanceante va extrayendo energía de forma progresiva y direccional (horizontal y vertical) de cada cilindro comprimiendo aceite. Finalmente un motor hidráulico se encarga de transmitir la energía a un generador. En total el artilugio, que se halla situado a más de 5 km de la costa, mide 150 m de longitud, pesa 700 toneladas y genera 750 kW. El dispositivo de la Figura 40.6 también se denomina atenuador o absorbedor lineal. Vulgarmente se le llama Pelamis, ya que su forma recuerda la Pelamis platurus, una serpiente venenosa que vive en el océano Pacífico. Estos dispositivos están menos expuestos a daños que los llamados sistemas puntuales o de impacto. Sistemas de rebosamiento

Son dispositivos en los que las olas inciden en una estructura lo cual consigue aumentar su energía cinética, potencial o ambas a la vez. Los sistemas de rebosamiento fuerzan a que el agua pase por encima de la estructura, mientras que en los de impacto las olas inciden en una estructura articulada o flexible que actúa como medio de transferencia. Se conocen sistemas de rebosamiento nearshore (cerca de la costa) y offshore (lejos de la costa).

Por el momento, los primeros son más frecuentes debido a las facilidades de instalación, sin embargo el potencial energético de los segundos es infinitamente mayor.

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LA CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA UNDIMOTRIZ Las unidades situadas en la costa no presentan dificultades para el transporte de energía. Los problemas pueden presentarse en las unidades instaladas en aguas someras y en particular en las instaladas en alta mar. Prácticamente todas las unidades consiguen un movimiento giratorio de las turbinas accionadas por el agua o el aire, o bien por la presión de fluidos hidráulicos contenidos en las bombas. En los otros dispositivos se usa un generador lineal, de modo que el movimiento lineal directo de las olas se transforma en movimiento lineal del generador. Las turbinas giran a una velocidad baja y variable, con lo que la forma más eficiente de obtener la energía eléctrica es utilizar imanes permanentes en el rotor. De este modo quedan descartadas cajas de engranajes, con lo que el rendimiento de la conversión es mayor. El generador es normalmente una máquina de inducción, diseñada de tal modo que el control eléctrico varía y capta las características de velocidad y par, para que la carga en tiempo real se ajuste a la red, con objeto de proporcionar el máximo de transferencia de potencia. Un sistema de control electrónico acopla el generador a la red. La interfase eléctrica con la red está dotada de inversores trifásicos DC/AC que captan la velocidad del generador y proporcionan la tensión y frecuencia adecuadas para que el generador opere según un algoritmo de optimización. Para el transporte de energía, los cables de las unidades individuales que conectan con el cable general sellado situado en el fondo, deben ser ca-


paces de soportar sin daños movimientos giratorios de más de 45º según el tipo de instalación. La tensión requerida para transportar una potencia dada por un cable submarino es:

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Para transmitir datos desde la costa hasta la unidad y a la inversa, puede usarse telemetría a través de fibra óptica y cable coaxial.

APLICACIONES EN ESPAÑA

Aplicada la fórmula al caso de un sistema anclado a 60 m de profundidad a 2 km de la costa, siendo el cable coaxial oceanográfico estándar de 0,68”, con resistencias que absorben 4,1 W/km y el blindaje 2,6 W/km, y transportando una potencia de 500 W, resulta:

La selección de corriente alterna o corriente continua para la transmisión de la potencia depende del rendimiento esperado, de la simplicidad y del coste de todo el sistema, teniendo en cuenta que este es un campo donde la fiabilidad y la disponibilidad deben ser lo máximo posible. En mar abierto, las unidades pueden estar situadas a 25-100 km de la costa. El uso de corriente alterna para la transmisión limita la longitud de los cables hasta 35 km, por lo que a distancias mayores, la longitud del cable llega a ser crítica, siendo la mejor solución la transmisión por corriente continua a una tensión de 150 kV hasta la costa. Se ha instalado un cable submarino de 260 km entre Alemania y Suecia que transporta 6 MW. A mayores distancias, el transporte de la energía es sumamente difícil, de modo que se puede optar por su aprovechamiento directo en alta mar para la fabricación de productos, por ejemplo, el hidrógeno. Para conectar a la red es necesario tratar individualmente cada flotador con su generador. Se coloca un filtro detrás que se comporta como un condensador en paralelo que acumula energía y que reduce la onda regular que proviene del generador. Detrás se sitúa un convertidor CA/CC (microprocesadores) que proporciona una tensión estable en CC la que se transforma en tensión alterna mediante un motor de CC de velocidad constante, conectado a un generador síncrono que va a proporcionar una tensión alterna de frecuencia constante.

En España se están desarrollando diversos proyectos en Asturias, Cantabria y el País Vasco, de centrales piloto, todos utilizarán la energía de las olas. La planta denominada Proyecto Calma, desarrollado por la empresa Martorelles Hidroflot, que cuenta con un presupuesto de partida de catorce millones de euros, se encontrará a 3,7 km de la costa, es decir, no será apenas visible. De momento se instalará un módulo de 1,5 MW, ampliable a 48 MW. Según sus promotores, las principales ventajas de este sistema es su seguridad, al encontrarse sumergido, su mayor durabilidad y un impacto ambiental mínimo. Cuando las olas superan los 6 m de altura, la central se sumerge inmediatamente a 15 m de profundidad para evitar los rompientes. En Asturias los responsables del proyecto confían en que estará listo para mediados de 2008. La idea es utilizar esta experiencia para instalar más centrales eléctricas de este tipo en distintos puntos del Cantábrico. Su funcionamiento se basa en el aprovechamiento de la energía de la oscilación vertical de las olas a través de unas boyas eléctricas que se elevan y descienden sobre una estructura similar a un pistón, en la que se instala una bomba hidráulica. El agua entra y sale de la bomba con el movimiento e impulsa un generador que produce la electricidad. La corriente se transmite a tierra a través de un cable submarino. A finales de 2008 se inauguró en Santoña (Cantabria) una planta undimotriz promovida por Iberdrola Renovables. Funciona, como muestra la Figura 40.7, por el sistema de boyas y se ha ubicado a 4 km de la costa. La primera fase, de 40 kW, ha costado tres millones de €. Cuando el conjunto esté terminado constará de diez módulos y en total tendrá una potencia de 1,4 MW, con una generación prevista de electricidad de 3.000 MWh al año. Por su parte, la planta del puerto de Mutriku (Guipúzcoa) empleará la tecnología denominada “columna de agua oscilante”, que solo existe en Escocia y en las islas Azores, aunque en la de Guipúzcoa funcionará con más de una turbina,

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Figura 40.7. Sistema de boyas marinas eléctricas.

dieciseis en concreto, para mejorar la integración de la planta en el dique. El sistema funciona de la siguiente manera: cuando la ola llega al dique, el agua asciende por el interior de unas cámaras, comprimiendo el aire que hay en el interior y expulsándolo a través de una pequeña apertura superior. Esto hace que el aire comprimido salga a gran velocidad, provocando el giro de las turbinas, cuyos generadores producirán la energía eléctrica. La planta se ubicará en la zona exterior del nuevo dique de abrigo que se construirá en Mutriku y ocupará 75 m de longitud, lo que no supondrá impacto medioambiental ni paisajístico alguno y

Figura 40.8. Sistema de columna de agua oscilante.

generará energía de forma continuada para más de 240 familias. El esquema aparece representado en la Figura 40.8. El puerto de Mutriko está situado en el fondo de una bahía, agitada por temporales del Cantábrico, que han ocasionado numerosos daños a la bocana del puerto, de tan solo 20 m de anchura. Después de analizar a fondo la teoría sobre la propagación del oleaje hacia el interior del puerto, el ingeniero Ramón Iribarren, propuso su “Método de cálculo de los planos del oleaje” y aportó una solución que, a la vez que ofreciera seguridad a la navegación, creara energía.


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Limitación de las cargas excesivas a partir de la potencia de diseño. Es necesario que el sistema tenga un cierto grado de resonancia para mejorar la potencia extraída cuando las olas son pequeñas, pero debe quedar libre cuando las olas sean excesivamente grandes. El dispositivo debe tener un cierto grado de amortiguamiento hidrodinámico. Potencia con transición suave para reducir los problemas de conexión a la red. Instalación versátil, capaz de operar en condiciones variadas de profundidad. Es conveniente que los trabajos de instalación sean los mínimos posibles. Utilización de la tecnología más moderna posible. Si es factible, el sistema debe aprovechar la energía total de la ola, es decir, la potencial (altura) y la cinética (velocidad).

El valor medio del recurso energético marino de Mutriko es de 35 MW/km de costa, 26 kW/m en verano y en invierno alcanza los 44 kW/m (Galicia presenta todavía valores superiores). Cada una de las dieciseis cámaras construidas en la escollera alberga una turbina de aire, de 18,5 kW, es decir, en total 296 kW. Las turbinas elegidas son del tipo Wells, de paso fijo, donde los álabes forman un ángulo fijo respecto al plano horizontal. El diseño simétrico de los álabes consigue que, independientemente del sentido de paso de aire a través de la turbina, esta siempre gire en el mismo sentido. Las turbinas están colocadas verticalmente y disponen de unos inyectores de agua dulce para la limpieza periódica de los álabes. La tensión del generador es de 400 v. Dado que la velocidad de giro de la turbina depende de la intensidad y frecuencia del oleaje, la señal eléctrica generada de salida es rectificada y posteriormente se convierte en corriente alterna a 50 Hz. El último paso consiste en elevar la tensión hasta 13,2 kv, para inyectarla a la red. El prototipo tiene previsto vender 600.000 kWh/ año y ha costado 1,7 millones de €. En cambio la obra civil ha tenido un coste de 4,4 millones de €. Es evidente que, programando la obra civil de los diques y escolleras en puertos de manera que puedan integrar, de forma sistemática, las cámaras de aire, el coste imputable a la obra para albergar las turbinas será mínimo. Dos estudios publicados por investigadores de la Universidad de Santiago de Compostela (USC) indican que las mejores zonas costeras de la Península Ibérica, para aprovechar la energía de las olas, son la Costa da Morte (50 kW/km) y Estaca de Bares, en A Coruña.

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Las ventajas que presenta la extracción de energía de las olas son: •

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CRITERIOS DE ELECCIÓN DE UN SISTEMA DE APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA DE LAS OLAS Los criterios a considerar son los siguientes: •

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Supervivencia ante una tempestad combinado con la máxima extracción de energía de las olas. Sección mínima frente a la acción de las olas para reducir su fuerza de arrastre.

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Las especiales características de los sistemas de extracción de energía de las olas potenciarán la industria naval y por lo tanto crearán empleo. La producción de energía de las olas sigue la variabilidad estacional de más energía en invierno y menos en verano. Las olas generadas por tempestades se desplazan sin pérdida significativa de energía por lo que son más estables y previsibles. La energía cinética de las olas es unas 1.000 veces superior a la del viento, permitiendo la construcción de dispositivos más pequeños para producir la misma energía. Es decir, la energía cinética de las olas varía según el cuadrado de la altura de la ola, mientras que la del viento varía en relación al cubo de la velocidad del aire. El agua es 850 veces más densa que el aire, lo que representa un promedio mayor de energía de las olas frente a los vientos. La energía de las olas es muy constante, mientras que la del viento baja por la mañana y la noche, y la solar es nula por la noche y baja en días nubosos. Hay que señalar que

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la inconstancia e irregularidad de las olas obliga a la ligereza de los dispositivos para aprovechar las olas pequeñas, pero han de ser resistentes para soportar los choques de las grandes olas. Algunos dispositivos de columna de agua se prestan al empleo de generadores síncronos, permitiendo el control de la energía reactiva, reduciendo así los problemas de estabilidad de la red. La inversión en instalaciones de energía de las olas es del 1/200 de la instalación eólica, con menores costes de infraestructura. Los dispositivos de extracción de energía del mar son más silenciosos y tienen un menor impacto visual que los aerogeneradores. En grandes áreas y aguas abajo, proporcionan zonas para deportes náuticos, peces y aves. Protegen la costa y pueden servir de rompeolas. Los sistemas pueden generar energía para alimentar pozos petrolíferos en el mar de modo más económico que los de viento. La energía de las olas es competitiva en islas remotas, bombeo de agua en piscifactorías y boyas de navegación. La energía de las olas es muy adecuada para la producción de hidrógeno, así como para la desalinización de agua de mar.

Uno de los inconvenientes del aprovechamiento de la energía de las olas es el impacto ecológico que puede suponer la construcción de las centrales, en particular cerca de la costa. Este impacto es, por un lado, visual y estructural sobre el paisaje, dada la magnitud de las estructuras que necesitan estas plantas. A esto se añade su efecto negativo sobre la flora y la fauna de las áreas costeras o de los estuarios en los que se levanta la central, que afecta especialmente a las aves migratorias y a los peces. Causar un impacto de estas características puede resultar paradójico, ya que se trata de fuentes de energía limpias y renovables, por lo que el fin último de su implantación es fomentar el desarrollo sostenible.

PREVISIBLE FUTURO DE LA ENERGÍA OLEOMOTRIZ En Europa parece razonable prever, hacia el año 2010, una contribución de la energía generada

a partir del oleaje del orden de 1 TWh/año, que es menos del 1% del potencial técnicamente aprovechable. El ritmo de construcción de nuevas instalaciones sería del orden de 20 a 30 MW anuales, para así llegar al año 2020 a una potencia instalada de unos 300 MW. En lo que se refiere a sus posibilidades, los sistemas de columna de agua oscilante parecen tener un buen futuro. Suponiendo aportaciones medias de 10 kW/m, y capturando la energía correspondiente a una línea de costa de unos 150 m, con un rendimiento del 33%, resultarían potencias del orden de 0,5 MW. La viabilidad de una instalación de canal de paso o “tapchan” está muy condicionada por la configuración natural del emplazamiento, donde deben fijarse límites razonables a las obras de adaptación, debido a sus repercusiones negativas en el coste y en el medio ambiente. El sistema de columna de agua oscilante no depende tan estrechamente del emplazamiento, requiriendo esencialmente profundidades mínimas de 10 m, que aumentan mar adentro. Aunque las consideraciones económicas y ambientales determinan ampliamente su viabilidad, sería razonable llegar en Europa en el año 2010 a 100 tapchan de 50 MW, y 500 sistemas de columna de agua oscilante de 150 MW. El éxito en el uso normal de la energía de las olas en el futuro precisa de más investigación y desarrollo en las áreas de hidrodinámica, conversión, transmisión y control de potencia, fiabilidad, anclaje, navegación y análisis de mercado. En Portugal, para 2012 está prevista la instalación de 25 “serpientes pelamis”. Normalmente se instalan allí donde hay fondo arenoso, de esta manera no interfiere con la pesca. Los costes de la energía producida por las olas del mar son aproximados, habida cuenta que muchos de los sistemas están todavía en su fase experimental de ensayo. Una comparación con el coste de las centrales convencionales debería incluir el beneficio medioambiental aportado por las energías renovables. El coste medio actual de estos sistemas es del orden de 0,08 €/kWh. El oleaje es una fuente de energía renovable, limpia, predecible y de alta densidad, por lo que sus perspectivas de desarrollo en los próximos años son buenas. Esta energía se presenta como una buena alternativa tanto para el suministro de


energía como de agua desalinizada en las zonas costeras e insulares. El hecho de que el 37% de la población mundial viva a 90 km de la costa establece una buena correlación entre recurso y demanda.

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El potencial mundial de la energía del oleaje es de 5 TW, de los cuales entre 130 – 300 GW son aprovechables, con la tecnología actualmente disponible. No obstante, se espera alcanzar los 2,5 TW útiles a mediados de este siglo.

La energía de las corrientes marinas En los estrechos naturales, o bien entre islas, suele existir una corriente submarina importante que dada su magnitud se puede convertir en energía eléctrica. El mismo fenómeno acontece en las grandes bahías y estuarios donde la marea juega un papel importante. La radiación solar calienta el océano y provoca corrientes de aire y de agua desde el ecuador a los polos, finalizando con las corrientes oceánicas en los bordes de las cuencas oeste de los océanos gracias a la rotación de la Tierra. Los sistemas principales de la corriente oceánica son la corriente del golfo (gulf stream) en el Atlántico, el Kuroschio de Japón, y el sistema Agulhas-Somali en la costa este de África. La topografía submarina, la salinidad, las diferencias de temperaturas locales y las mareas contribuyen a las corrientes marinas en el océano. Se estima que la potencia total que puede extraerse de las corrientes marinas supera los 3 TW. Con la tecnología disponible en la actualidad, la energía eléctrica que se podría crear sería del orden de 3.300 TWh/año, puesto que la tasa de funcionamiento es muy elevada. No obstante, para medianos de siglo se espera que este valor supere los 20.000 TWh/año. Sin embargo, la extracción práctica de esta energía solo se puede realizar en puntos próximos a la periferia de los océanos, o en pasos estrechos entre islas donde la corriente alcanza una velocidad considerable. La potencia teórica extraíble es:

Esta es la misma ecuación para una turbina eólica (Capítulo 37 de esta misma V Parte), pero en este caso:

A = sección transversal de la turbina ρ = densidad del agua V = velocidad de la corriente Cuando la corriente es constante, la extracción de energía es de interés siempre que la velocidad senoidal de la corriente supera 1 m/s, y debe ser evaluada en cada caso particular cuando esta velocidad está comprendida entre 0,5 y 1 m/s. Para aprovechar la energía se usa una turbina reversible (en la foto de la Figura 40.9, izada para labores de mantenimiento). De hecho se podría aprovechar la infraestructura para instalar en la base (parte sumergida) una o dos turbinas que, como muestra la foto de la Figura 40.10, son similares a la hélice de un navío, y generadores eólicos offshore en la parte aérea de la infraestructura.

Figura 40.9. Fotografía de una hélice de central de corriente mareomotriz.

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Se utiliza un rotor de turbina en la dirección del flujo montado en el fondo del mar (20 a 30 m de profundidad) o en una plataforma flotante (profundidad mayor de 50 m). Los rotores adecuados son de flujo axial (hélice de eje horizontal) y de flujo cruzado (crossflow). Las palas pueden ser fijas o ajustables y las estructuras de soporte pueden estar fijadas al fondo a profundidades de 20 a 30 m, o bien flotar entre dos aguas con un sistema de anclaje adecuado a profundidades mayores de 50 m. Los sistemas de las turbinas han ido evolucionando desde los componentes y sistemas convencionales, al objeto de obtener una fiabilidad razonable con un bajo coste, hasta los componentes especiales tales como generadores eléctricos multipolo de baja velocidad, sistemas de transmisión hidráulica, etc. En la bahía de Strangford Lough (Irlanda del Norte) se instalarán, como muestra la Figura 40.10, dos torres, con turbinas sumergidas que producirán 1,2 MW (lo suficiente para abastecer 1.000 hogares), con las siguientes características: •

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Velocidad de rotación de las hélices 15 rpm (lo que no supone ningún peligro para la fauna). Profundidad de 25 a 30 m. Radio de las hélices: 8 m

Las torres emergen del agua unos 12 m y están perfectamente señalizadas, lo que no representa problema para la navegación. En comparación con la energía eólica, la torre marina, cada una de las cuales soporta dos hélices, mide unos 40 m, pero solo emerge del mar unos 12 m, es decir, la mitad que una torre eólica que fácilmente supera los 80 m de altura. El coste de inversión se estima en 1.200 €/kW para un gran sistema y 3.000 €/kW para sistemas de baja y media capacidad. Las previsiones del coste de generación de energía se cifran en 0,06 €/kWh. En la costa de Devon (Inglaterra) se ha construido como ensayo piloto de evaluación y demostración una turbina marina, a una milla (1,8 km) de la costa de Lynmouth, con un rotor de 11 m de diámetro girando a 20 rpm, sin peligro para los peces, capaz de generar 300 kW. Su coste ha sido de 4.313.400 €.

Figura 40.10. Turbinas para el aprovechamiento de las corrientes marinas y/o fluviales.

El estrecho de Gibraltar, como la mayoría de estrechos, es aparentemente una zona propicia para aprovechar las corrientes marinas. Estudios recientes comprobaron que en la mejor zona, en las cercanías del cabo Camarinal (Cádiz), a unos 300 m de profundidad, el caudal submarino transportado desde el Mediterráneo hasta el Atlántico era de 100.000 m3/s, aunque la velocidad apenas alcanza los 2,8 m/s. Sin embargo, con las nuevas tecnologías se requieren palas de menor tamaño que permitirían aprovechar de manera rentable esta energía potencial. Otro punto propicio para el aprovechamiento de las corrientes, pero muy poco explotado, son las corrientes de los ríos en las zonas próximas a la desembocadura (o durante el curso, según el calado y la velocidad de la corriente). Un buen ejemplo de ello lo constituyen las turbinas instaladas en el East River (Nueva York), donde existe una corriente de 7,5 km/h o 2 m/s, y situadas a unos 14 m de profundidad, lo que no representa ningún peligro para la navegación. De momento se han instalado cuatro turbinas de 35 kW y el proyecto culmina, en 2012, con la instalación de 300 turbinas. Los expertos diagnostican que usando solo la corriente del Golfo (costa este americana) se podría generar toda la electricidad que hoy consume EE UU.


CORRIENTE MARINA PARA TRANSPORTAR CAUDALES DE AGUA Con la tecnología actual, las turbinas para corrientes marinas, como la representada en la Figura 40.9 o 40.10, presentan un problema relativo al mantenimiento ya que el grupo generador se halla sumergido. El otro problema es el derivado de la conducción de energía eléctrica hasta la costa. El Jet Propulsion Laboratory ha desarrollado la idea de generar (aprovechar) la energía en la propia agua para crear una potente corriente de agua canalizada y producir la electricidad en tierra firme. Como muestra la Figura 40.11, la corriente marina hace girar las palas de las sucesivas turbinas bajo el agua, la velocidad de rotación de los rotores podría incrementarse mediante una caja de cambios, lo que permitiría bombear el fluido e ir aumentando progresivamente la presión del mismo.

Figura 40.11. Esquema de un generador de fluido hacia la costa.

La corriente subacuática incide sobre una serie de turbinas que se hallan conectadas a una conducción. La energía de la turbina se usa para ir aumentando la presión en el conducto colector. Al final, un caudal importante a elevada presión es transportado a la central hidroeléctrica situada en la costa.

VENTAJAS E IMPACTO AMBIENTAL DE LAS TURBINAS MARINAS Las corrientes marinas tienen una gran densidad de energía con relación a la energía eólica, ya

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que el agua es 850 veces más densa que el aire. De este modo, una corriente oceánica de unos 5 nudos (9 km/h o 2,5 m/s) equivale a una velocidad del viento de 270 km/h, ocupando las mismas áreas de emplazamiento que la eólica o la solar, mientras la turbina marina puede generar un potencial 180 veces mayor. Todo el equipo eléctrico (generadores y transformadores) se mantienen arriba sin contacto con el agua. Asimismo, si se disminuye la sección del canal se consigue un aumento de la velocidad del agua y por lo tanto de la potencia. Las potencias derivadas de las corrientes son constantes y predecibles. Desde el punto de vista ecológico las turbinas no emiten gases de efecto invernadero y gracias a la baja velocidad de las palas (20 rpm) no perjudica la vida marina ni las migraciones de los peces, y permite el flujo libre del agua. Se instala una defensa contra los grandes mamíferos marinos para que no entren en contacto con las palas y en caso de que se superen estas defensas, actúa un sistema de paro automático controlado por sensores de sónar. La técnica, si bien no es del todo conocida, está probada después de veinte años de investigación y desarrollo, y está a punto para su aplicación comercial. El potencial global de aplicación en todo el mundo se estima en 450 GW (este valor equivale a 450 centrales nucleares convencionales). Sin embargo, para mediados de este siglo podría multiplicarse por seis. El impacto ambiental de las instalaciones de aprovechamiento de la energía de las corrientes marinas será mínimo, en la navegación y la pesca. La extracción continuada de energía con la disminución de las corrientes puede tener un efecto potencial de modificación de las condiciones climáticas aguas abajo y en el transporte de sedimentos. Por consiguiente es necesario realizar un estudio de impacto ambiental preciso y puntual en cada zona.

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La energía oceánica por diferencia de profundidades Otra forma de aprovechar la energía de los océanos es mediante la conversión de la energía térmica de las aguas marinas. Al practicar el submarinismo se puede notar que al iniciar la inmersión el agua de la superficie se siente más tibia, mientras que al fondo está mucho más fría. Las aguas profundas del mar son frías y su temperatura es menor a medida que es mayor la profundidad. Particularmente en las latitudes tropicales entre el trópico de Capricornio y el de Cáncer, pueden distinguirse tres capas: •

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La superficial, de 100 a 200 m de espesor, que actúa como colector de calor, con temperaturas entre 25 y 30 ºC. La intermedia, entre los 200 y 400 m de profundidad, con una variación rápida de temperatura y que actúa como barrera térmica entre las capas superior y profunda. La profunda, en la que la temperatura disminuye suavemente hasta alcanzar 4 ºC a 1.000 m y 2 ºC a 5.000 m.

Por lo tanto, a una profundidad de 1.000 m, esa diferencia puede llegar a 20 ºC, lo que puede utilizarse para generar electricidad al evaporar y condensar, en forma alternada, un fluido intermedio de trabajo. El vapor producido mediante este proceso mueve una turbina acoplada a un generador de electricidad.

La explotación de las diferencias de temperatura de los océanos ha sido propuesta multitud de veces, desde que d’Arsoval lo insinuara en el año 1881, pero el más conocido pionero de esta técnica fue el científico francés Georgi Claudi, que invirtió toda su fortuna obtenida por la invención del tubo de neón, en una central de conversión térmica. Las ventajas de esta fuente de energía se asocian a que es un salto térmico permanente y benigno desde el punto de vista medioambiental. Puede tener ventajas secundarias, tales como alimentos y agua potable, debido a que el agua fría profunda es rica en sustancias nutritivas y carentes de agentes patógenos. Las posibilidades de esta técnica se han potenciado debido a la transferencia de tecnología asociada a las explotaciones petrolíferas lejos de la costa. El desarrollo tecnológico de instalación de plataformas profundas, la utilización de materiales compuestos y nuevas técnicas de unión harán posible el diseño de una plataforma apropiada a todo ello pero, de momento, el máximo inconveniente es el económico. El sistema de reaprovechamiento de la energía maremotérmica se simula en la Figura 40.12. En España estas circunstancias se dan en las Islas Canarias. El principio de funcionamiento consiste en usar el “calor” del agua de superficie para evaporar un fluido orgánico (disolvente de

Figura 40.12. Máquina de Claude para el aprovechamiento de saltos térmicos pequeños.

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bajo punto de ebullición). El vapor se expande en una turbina y genera electricidad. Para la condensación del vapor se emplea el agua fría del fondo del océano. Una parte de la energía se debe usar en bombear el agua del fondo. El rendimiento es ciertamente bajo, pero la estabilidad térmica está garantizada y el funcionamiento es perenne.

CARACTERÍSTICAS DE LAS CENTRALES MAREMOTÉRMICAS Las características de la energía térmica de los océanos son las siguientes: •

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Es prácticamente inagotable puesto que está relacionada con los grandes procesos climatológicos. Sin embargo, los lugares favorables para su instalación, caracterizados por una temperatura superficial del agua muy elevada, con variaciones estacionales irrelevantes y con profundidades marinas muy grandes junto a las costas (para reducir la longitud del conducto de aspiración), no son muy numerosos. Es posible, no obstante, aumentar la temperatura de la capa caliente aprovechada (impidiendo la evaporación mediante delgadas capas de aceite, etc.), o utilizar instalaciones flotantes. El rendimiento teórico máximo de Rankine es muy bajo, 7,3% si el agua caliente está a 28 ºC y la fría a 6 ºC, y de 8,6% para el agua caliente a 30 ºC y la fría a 4 ºC. Es indispensable, por tanto, acercarse lo más posible a la reversibilidad (ciclo con numerosos pasos evaporación-condensación y viceversa) y hacer que la parte de la energía consumida por las instalaciones auxiliares (extractor de gases disueltos y bombas de circulación) se reduzca al mínimo. Se obtienen rendimientos del 5 al 6% con los ciclos Kalina y Uehara, que permiten el ahorro del 70% en agua de mar superficial y profunda. La turbina debe ser de grandes dimensiones (lo que impone una baja velocidad de rotación) para que la diferencia de tensión de vapor entre el condensador y el evaporador sea mínima. Utilizando un fluido auxiliar como el amoniaco, cuya tensión de vapor varía con la temperatura mucho más que la del agua, se obvia este inconveniente.

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Aunque en las actuales condiciones de la economía mundial una central térmica semejante no parece muy competitiva, presenta la interesante particularidad de producir grandes cantidades de agua dulce del orden de 10.000 m3/día en centrales de 1 MW y de 1.000.000 m3/día en centrales de 100 MW. El agua profunda utilizada para refrigerar el condensador saldría de la instalación a la temperatura de unos 16 ºC y sería por tanto utilizable como agua de refrigeración en determinadas industrias.

Se puede mejorar el rendimiento de estas centrales haciendo pasar el agua de la superficie del mar por un estanque de fondo negro que la calentará más por la acción del sol. Estas centrales pueden instalarse en la costa o en estructuras flotantes en el océano; en este último caso se necesita una menor longitud de tuberías para las tomas del agua caliente y fría. Un aspecto crítico de estos sistemas es el tubo de aspiración (telescópico) por el que va a circular gran cantidad de agua y que va a alcanzar grandes profundidades. Como se trabaja a bajas temperaturas, se pueden usar materiales más baratos que en las centrales térmicas convencionales.

FUTURO DE LAS CENTRALES MAREMOTÉRMICAS Es importante mejorar las tecnologías de diseño y fabricación de los intercambiadores de calor, disminuir su coste económico mediante la selección adecuada de sus componentes y resolver los problemas de atascamiento producido por la suciedad y los hongos. En los proyectos más recientes se eligen plataformas fijas en aguas relativamente poco profundas, utilizando la tecnología de construcción e instalación de las plataformas petrolíferas. La tubería de agua fría sigue el contorno del fondo. Por ejemplo, en la planta de 40 MW en Kahe Point (Hawai), la tubería es de 3.670 m de longitud y su coste se estima entre el 25 y el 33% del coste total del proyecto. La potencia de estas plantas está limitada inicialmente a 100 MW debido a los diámetros (10 a 12 m) necesarios para alcanzar el agua fría a los 1.000 m de profundidad. Además de la producción

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de energía eléctrica y de agua potable, las aguas profundas bombeadas llevan consigo nutrientes que pueden aprovecharse en las piscifactorías. El capital necesario y su financiación son el mayor obstáculo que presentan estas centrales para que tenga éxito su explotación comercial. La potencia mínima para la explotación en las islas y poblaciones próximas a la costa es de 15 MW. Plantas mayores de 40 MW precisan de centrales de ciclo cerrado en razón al menor coste económico de explotación. Las plantas de ciclo abierto son más adecuadas por su simplicidad y su bajo coste, cuando se trata de obtener grandes cantidades de agua dulce. Aunque quedan por resolver algunos problemas técnicos, como la obstrucción de las superficies de los intercambiadores de calor por organismos marinos, existen varias instalaciones de prueba en Estados Unidos y en otras partes del mundo que intentan perfeccionar la conversión de la energía térmica del océano, como una tecnología viable del siglo XXI.

De todas las formas de energía que pueden extraerse del mar, la variante de energía térmica es, con diferencia, la más importante. Se calcula una potencia útil de 60 TW, teniendo en cuenta que el gradiente es invariable durante las 8.760 h que tiene un año, la energía potencial que ello puede generar es de orden de centenares de veces la electricidad consumida por todo el mundo a finales de la primera década. Hay que pensar que los 60 TW se refieren a todas las zonas de los océanos calientes. A efectos prácticos, la mayor parte de ellos es inaccesible, o bien, el transporte de electricidad hacia el continente seria, con la tecnología actual utópico. En general, para lograr avanzar es esta tecnología se debe investigar y avanzar en: • • •

Nuevos fluidos intermedios. Sistemas de instalación de centrales en el océano. Formas de transmisión de la energía eléctrica al continente.

La energía del gradiente salino La ciudad noruega de Tofte, en el fiordo de Oslo, y el lago Ijssel, en los Países Bajos, tienen un motivo peculiar para hermanarse: allí se prueban sendos proyectos para extraer la energía resultante de la unión del agua dulce de ríos o lagos y la salada del mar. Aunque todavía resulta económicamente inviable, un petróleo cada vez más caro y escaso, y el carácter renovable y ecológico de esta tecnología podrían hacerla interesante para los próximos años. En estos momentos se encuentra en fase experimental, pero las posibilidades de la “energía salina” son enormes: si se sacara partido de ella en todos los estuarios del mundo se podría cubrir el 20% de la demanda energética mundial, según los científicos del proyecto holandés. En Noruega, un país lleno de ríos y que de hecho obtiene casi toda su energía de las plantas hidroeléctricas, el interés por esta tecnología es evidente. Por ello, el grupo energético Statkraft, uno de los mayores productores de energía hidráulica y eólica de Europa, está probando una instalación con este sistema, para lo que ha invertido

unos trece millones de euros y una década de investigación. Por su parte, el Centro Holandés de Tecnología Sostenible Acuática (Wetsus) comenzará en breve un proyecto piloto con el objetivo de lograr entre 1 y 5 kWh al año. En el caso de la planta noruega ya cuentan con un rendimiento de unos 5 kW, equivalente a la energía producida por una caída de agua de 270 m de altitud. Asimismo, el gobierno holandés, la empresa pública Eneco y el grupo de investigación Redstack están probando la viabilidad de una planta en el embalse de Afsluitdijk, entre el propio lago Ijssel y el mar de Wadden, con una capacidad de 200 MW si se consigue que funcione. No obstante, aunque la planta noruega y la holandesa se basan en el sistema de membranas, su funcionamiento no es idéntico. A diferencia del proyecto noruego, la tecnología holandesa captura las partículas de sal que emiten corrientes eléctricas. El proceso de ósmosis (del griego osmos: impulso) diluye la disolución y aumenta su volumen. Si, además, el nivel de la misma se eleva se crea


una presión hidrostática que intensifica la tendencia de las moléculas del disolvente en la disolución en pasar hacia el disolvente puro.

Figura 40.13. Principio de la presión osmótica.

Como esquematiza la Figura 40.13, en un recipiente con disolvente puro (agua dulce, de río) se introduce otro recipiente, cuya superficie está constituida por una membrana semipermeable (superficie porosa en la que los poros permiten pasar las moléculas de disolvente y no las de soluto), es decir, el agua de mar ascenderá pero no dejará pasar la sal. Al cabo de un tiempo, la altura del

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líquido en el lado de la disolución, con respecto al nivel del disolvente puro, representa una presión denominada presión osmótica, que depende fundamentalmente de la concentración molar de la disolución y, en menor cuantía, de la temperatura. Además es independiente de la naturaleza del soluto y del disolvente. Este fenómeno se conoce como “ósmosis directa” y las leyes que la rigen fueron desarrolladas por Vant Hoff. Aplicando el principio al caso de un río que se encuentra con el mar, la altura de equilibrio (h) es, teóricamente, de 300 m. Esta altura hidrostática es muy importante para generar electricidad a partir de turbinas hidráulicas convencionales. Así como muestra la Figura 40.14, el agua de mar se conduce hacia el recipiente que contiene la membrana porosa de manera que la concentración salina se pueda considerar constante, que retendrá la sal y hará ascender el agua pura (con un caudal idéntico al recibido del mar) que se almacenará en un embalse, cuya descarga se vierte al mar, produciendo energía hidroeléctrica. Hoy día, con unos 250.000 m2 de membranas y una altura (h) de diseño de 100 m, se dispondría de 1 m3/s de caudal, lo que supondría una potencia de 1 MW. Asimismo, estos proyectos también quieren aprovechar la elevación natural de la temperatura (0,1 ºC) que se produce cuando el agua salada y la dulce se mezclan en la desembocadura de los ríos con el mar.

Figura 40.14. Generación de electricidad a partir de la potencia osmótica.

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Retos de esta tecnología

El elevado precio de las membranas y su escasa eficiencia son los principales inconvenientes de estos sistemas en la actualidad. Además, los principales productores de estas membranas, como General Electric, Dow Chemical, Hydranautics o Toray Industries, se han centrado en el mercado de las plantas desalinizadoras, que aumenta cada año un 15% en todo el mundo. Los expertos del sector consideran que, aunque su potencial es grande, estas plantas de energía salina tendrán que esperar entre cinco y diez años para contar con membranas más competitivas. Por ello, los resultados son todavía muy pequeños. Según los responsables del proyecto noruego, en las pruebas actuales están logrando unos 3 W/ m2 cuadrado de membrana, aunque afirman que serán capaces de alcanzar los 5 W, una cifra que ya consideran industrialmente interesante. Por su parte, el proyecto holandés se encuentra cerca de conseguir 2 W/m2 . En este sentido, el Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC en sus siglas in-

glesas) considera que la energía del gradiente salino, al igual que otras más experimentales, como la de las olas o la de las mareas, no podrá ofrecer una contribución significativa hasta 2030. Asimismo, el posible impacto ambiental también podría ser considerable. En primer lugar, habría que instalar filtros y sistemas de seguridad para evitar posibles fugas de residuos. Por otra parte, el movimiento de agua desde los estuarios podría afectar a la flora y fauna del lugar. Además, el tamaño de estas plantas experimentales es pequeño en comparación con las que tendrían que construirse para aprovechar esta energía de manera industrial. En 2009 solo había dos plantas experimentales en el mundo. Sin embargo, esta tecnología proporciona un gran potencial de aprovechamiento para la producción de electricidad ya que su potencial, a escala mundial, se estima en 3 TW y su factor de utilización es muy elevado (de hecho solo depende del caudal del río ya que el resto de la tecnología es bien conocida). Su futuro pasa por el desarrollo de membranas semipermeables eficaces.

Potencialidad de la energía oceánica La radiación solar incide en toda la Tierra, no obstante la denominada disponible es aquella relativamente fácil de acceder y que representa, aproximadamente un 7% de la recibida. De esta energía solo se puede acceder a una parte, ya que las grandes masas oceánicas lejos de la costa, son inaccesibles. Finalmente, la tecnología disponible hoy en día presenta muchas limitaciones para obtener rendimientos de transformación eléctrica aceptable, o rentable. De ahí el concepto de energía útil, que viene ser del orden del 6% de la disponible. Es decir, a 2009, solo un 0,4% de la energía que se recibe del Sol se podría convertir en electricidad. Con todo este valor es de cerca de 500 TW. Esta potencia equivale a medio millón de centrales nucleares convencionales de 1 GW o bien a 25 veces la potencia eléctrica instalada en el mundo. En términos de energía las cifras son diferentes ya que los rendimientos actuales y los ratios de utilización son bajos. En el caso de los océanos, a escala mundial, la energía útil se cifra en 71,5 TW.

El hecho de que casi el 40% de la población mundial viva a 90 km de la costa establece una correlación entre el recurso y la demanda. La Tabla 40.3 muestra la potencialidad de la energía del océano. Tabla 40.3. Potencialidad de la energía oceánica. Potencia (máx) disponibleTW

Potencia mundial útil (mín) TW

1.000

60

Gradiente salino

20

3

Corrientes marinas

30

3

Mareas

1

0,4

Olas

15

5

Energía Gradiente térmico

A primeros de 2009, los datos sobre potencialidades variaban mucho según las fuentes y los ratios de eficiencia usados. En cualquier caso, una hipótesis de moderado optimismo llegaría a la conclusión de que, con la tecnología actual, la energía,


en forma de electricidad, que puede extraerse del océano representa, aproximadamente, tres veces el consumo mundial de electricidad en 2007. Debe prestarse especial atención a la energía que puede extraerse de las olas, recurso especialmente importante en el caso de España. Siendo

715

conscientes de las grandes dificultades tecnológicas que ello entraña, se deberían aportar recursos para desarrollar prototipos o instalar modelos que ya funcionan. A las dificultades técnicas hay que añadir que el verdadero potencial se halla en alta mar (offshore).

Potencial ubicación y calendario de implantación de las EE RR en España

41

2040 DEBERÍA SER EL AÑO DE REFERENCIA PARA COMPLETAR EL MODELO ENERGÉTICO ESPAÑOL •

•

•

• • •

•

• •

•

España tiene buenas condiciones para instalar energía termosolar en la parte sur y levante/sur de la península, potenciar la eólica, en tierra y en mar, y la energía de las olas allí donde sopla el viento, que es en la mayor parte del país. El modelo energético actual debería catalogarse de “modelo de oferta”, es decir, el sistema tiene previsto hacer frente al incremento del consumo a base de construir más centrales de producción de electricidad. En 2009 el potencial de energía renovable era del 32,2% del total de la potencia eléctrica instalada en España, mientras que la energía suministrada de fuentes renovables fue del 28,3%, ello supone un ratio de 1,14 y un buen punto de partida para un nuevo modelo. Se debe invertir en I+D+i en el campo de las EE RR y favorecer la instalación de plantas de EE RR, así como potenciar la energía distribuida en detrimento de las grandes redes de transporte. En una primera etapa de implantación de EE RR, sistemas tan prometedores en España como la termosolar deberían disponer de sistemas de almacenamiento o de hibridación. La mayoría de las centrales de EE RR tienen una baja densidad energética en relación al espacio ocupado (ha/MW). Ello requiere de investigación ya que si España dispone de terrenos baldíos para promover plantas solares, el factor espacio puede llegar a ser un limitante. El precio de la electricidad en España se deberá incrementar de manera importante en los inmediatos años, al menos un 25%. Entre otros motivos para reducir el enorme déficit tarifario (a finales de 2008 el déficit llegaba casi a los 20.000 M€). Para converger con los países más desarrollados, España aumentará su consumo per cápita, al menos un 10%. Las EE RR muy desarrolladas, como la eólica en tierra, no precisan apenas subvención, mientras que las ayudas son imprescindibles para plantas de otro tipo como las termosolares o las de olas. Las estadísticas de crecimiento demográfico, de incremento de generación (aunque solo sea por motivos de convergencia con las medias europeas) conducen a que en los próximos 30 años, el incremento de la demanda eléctrica será, en nuestro país, del 61,1% (del orden del 1,9% anual lineal, equivalente a 1,46% acumulativo), lo que resultará insostenible desde todos los puntos de vista de seguir con el modelo actual.

718 •

• •

•


El modelo que se postula consiste, durante los próximos 30 años, en ir suprimiendo la electricidad de origen termoeléctrico, mantener la nuclear (si bien hay que ir sustituyendo la tecnología actual por centrales de tercera generación), mantener la hidráulica (ya que al considerarse convencional, no se incrementa) y aumentar las EE RR. La isla de El Hierro, en las Canarias, va a ser, en 2010, la primera isla del mundo en ser abastecida cien por cien de EE RR, básicamente por medio de una planta “hidro-eólica”. Se pretende, al cabo de 30 años y ya con el incremento de consumo considerado, que el mix nacional sea: termoeléctrico (27,0% - 0,0%), ciclo combinado (23,5% - 8,4%), nuclear (17,7% - 10,9%), hidráulica (8,5% - 7,5%) y renovables (23,3% - 73,2%). La primera cifra corresponde al peso de cada sistema en 2007, mientras que la segunda representa el peso postulado en el nuevo modelo de generación de energía eléctrica. Con una distribución de generación de energía eléctrica como el propuesto, es fácil deducir que a mitades del presente siglo pueda prescindirse completamente de las energías convencionales.

Introducción España por su situación geográfica y particular climatología dispone de unas características óptimas para la potenciación de las energías renovables. La Figura 41.1 pretende señalar las zonas de la Península y los archipiélagos donde son más adecuadas las diferentes energías renovables. En términos generales, y siguiendo la leyenda de la figura, las zonas son: •

•

•

Solar termoeléctrica: la zona ideal es el levante sur, provincias de Almería, Granada, Murcia, Alicante y zonas de Castilla-La Mancha. Eólica en tierra: Galicia, parte de la cornisa Cantábrica, el valle del Ebro y zonas de Extremadura, Andalucía y Cataluña. Eólica en mar: más o menos los mismos anteriores (menos, obviamente, el valle del Ebro).

• • • • •

Energía de las mareas: una parte de Galicia y Canarias. Energía de las olas: la cornisa Cantábrica, Galicia, Andalucía occidental y Canarias. Energía de las corrientes marinas: en los archipiélagos y el estrecho de Gibraltar. Energía térmica oceánica: Canarias. Energía de la biomasa: toda la Península a excepción de la zona del levante sur.

La propia naturaleza, en el caso de España, ya proporciona un mix natural de energías renovables que deben combinarse de manera adecuada teniendo en cuenta parámetros como: • • •

Consumo local. Regularidad de la fuente de suministro de la EE RR Estructura demográfica de la población.

Tabla 41.1. Origen de la electricidad y tasa de utilización. % potencia instalada

% energía

Utilización

Térmicas de carbón

13,1%

23,6%

68,3%

Ciclo combinado GN

24,3%

23,7%

36,9%

Nuclear

8,5%

17,6%

78,4%

Fuel/gas

9,6%

3,4%

13,4%

Hidráulica convencional

18,4%

8,5%

17,4%

Eólica

15,0%

8,7%

21,8%

Otras

11,1%

14,6%

49,8%

TOTAL

100,0%

100,0%


•

Estructura económica de la zona.

En el caso de España, la Tabla 41.1 pone de manifiesto en valores de 2007, la potencia eléctrica instalada y la energía generada. Un dato significativo es la tasa de utilización. De la Tabla 41.1, extraída de fuentes diversas, son precisos algunos comentarios: •

•

•

Solo las dos últimas filas deben considerarse EE RR (las minihidráulicas y las catalogadas como régimen especial se hallan incluidas en el apartado “Otras”). Dentro del apartado “Otras” se incluye la biomasa, los residuos, la fotovoltaica y la citada minihidráulica. En cuanto a potencia instalada, las EE RR suponen el 26,1%, mientras que, en términos de energía suministrada representa el 23,45%.

•

•

719

La tasa de utilización (energía suministrada en relación a la potencia instalada) es muy aceptable en el caso de las EE RR. El ratio potencia instalada/energía suministrada, por las EE RR, es 1,11 (respecto a la valoración global tomada como referencia 1), lo que debe considerarse como muy aceptable.

Otro tema diferente, en términos puramente económicos, es el coste de generación, puesto que la mayoría de ellas tienen primas. Sin embargo, hay dos parámetros a considerar: la EE RR más extendida, la eólica, tiene un coste de producción homologable a las convencionales. Las otras, a excepción de la fotovoltaica, precisan de un desarrollo importante para poder reducir costes. En 2007 el precio medio de la electricidad en España fue de 12,25 c€/kWh, mientras que la me-

Figura 41.1. Mapa de distribución de EE RR en España.

720


dia de la UE-27 era mayor: 15,28 c€/kWh. En consumo, la media española era de 5.628 kWh/año y habitante, poco superior a la media de la UE-27: 5.614 c€/kWh. Hay que diferenciar entre el precio de venta (por parte de particulares y empresas) con el coste de generación que se exponen extensamente en las Partes I yVII de esta obra. La Figura 41.1 muestra a grandes rasgos la posible ubicación de las diversas fuentes de generación de energías renovables en España. En la Parte VII se llevan a cabo dos simulaciones de las posibilidades de autoabastecimiento de electricidad a partir, exclusivamente, de EE RR en dos comunidades autónomas de España: Cataluña, por ser, con diferencia, la mayor consumidora de electricidad de todas las CC AA, y Andalucía, por ser la segunda. Para lograr la sostenibilidad hay que invertir en instalaciones de EE RR como ya se ha indicado en la Parte I. En esta línea la Figura 8.2 de la Parte I, muestra la propuesta del ministerio alemán de Medio Ambiente sobre el intercambio de energías de diferentes fuentes, biomasa, solar, eólica, etc., entre los países de la UE, y ya existen países como

Austria o Suecia en los que las energías de origen renovable son mayoritarias. Los países del área mediterránea están especialmente llamados a instalar plantas de energía solar térmica de nueva generación. En las zonas montañosas, Alpes y norte de Europa, tendrá preponderancia la energía hidráulica, mientras que la costa atlántica es favorable a la eólica. Además también hay que añadir la geotérmica y la biomasa. Es evidente que ello tropieza con el problema del transporte eléctrico, bastante ineficiente hoy en día. Para salvar grandes distancias se debe recurrir a una forma más eficaz del transporte de energía: El CCAT (transporte de Corriente Continua a Alta Tensión). El sistema consiste en una estación rectificadora situada al principio del tramo de transporte, que convierte la energía alterna generada en continua. En la recepción se vuelve a transformar en alterna. De esta manera se pueden transportar hasta 3.000 MW(e) a grandes distancias (se sobreentiende más de 2.000 km) con bajas pérdidas y a un coste reducido (esta técnica ya es usada en numerosas partes del mundo, en especial en tramos submarinos, como entre Tasmania y el continente australiano).

Parámetros relacionados con el fomento de las EE RR El conocimiento, incorporación y aceptación de las EE RR va a ser un problema complicado y largo ya que en él intervienen diversos parámetros muy dispares. Algunos de ellos se esbozan en el presente apartado. El modelo energético actual debería catalogarse de “modelo de oferta”, es decir, el sistema tiene previsto hacer frente al incremento del consumo a base de construir más centrales de producción de electricidad. A primeros de 2009, REE cifraba la potencia eléctrica instalada, en España, en 89.944 MW (esta cifra varía algo según año y fuente. Así, es frecuente dar una cifra redonda de 93.000 MW). La oscilación del 3% sirve para llevar a cabo dos reflexiones: •

La potencia instalada (véase Tabla 41.1) demuestra que la mayoría de las plantas están paradas la mayor parte del año (por ejemplo, las modernas plantas de ciclo combinado que, en 2007, representaban el 24,3% de

•

la potencia instalada, tuvieron este año una tasa de utilización del 36,9%). El incremento de la demanda no debe cubrirse a base de instalar más centrales convencionales. Ello supondría poner en marcha, en 30 años, más de 50.000 MW. ¿Con la misma tasa de ocupación? ¿A qué precio del combustible?

La baja ocupación indica que no deberían instalarse más centrales, al menos convencionales, sino caminar hacia otro modelo y pasar al “modelo de la demanda”, es decir, educar a la población, ciudadanos y empresas, para que cambien los hábitos de consumo (por ejemplo, poner en marcha electrodomésticos a determinadas horas del día de la semana o, en un futuro no muy lejano “cargar” el coche eléctrico por las noches). Para llevar a cabo el cambio de modelo energético se debería:

721


•

•

•

Pasar de la “gestión de la oferta” a la “gestión de la demanda”, potenciando el ahorro y la eficiencia energética (las centrales de ciclo combinado, las más eficientes en la actualidad, tienen un rendimiento del orden del 55%; visto por la parte negativa significa que el 45% de la energía no se utiliza y a efectos prácticos, debe considerarse que se pierde). La gestión de la demanda implica puestos de trabajo y oportunidad de crecimiento económico. Es preciso incorporar el tema de la energía en todos los estratos sociales y económicos, ya que todos gastamos energía. Impulsar el I+D+i en nuevas tecnologías energéticas. Incorporar el concepto de la energía en la formación, en todos los ámbitos, y en el reciclaje profesional.

En el borrador del 11 de febrero de 2009 del Proyecto de Ley de Eficiencia Energética y Energías Renovables, en su artículo 64 se dice que el Gobierno podrá establecer mecanismos técnicoeconómicos para incentivar la gestión de la demanda. La introducción masiva de las EE RR es impensable sin una buena estructuración del “modelo de la demanda” que comporte el aplanamiento de la curva de demanda, posibilitando así una paulatina penetración de las EE RR.

EL PROBLEMA DE LA INTERMITENCIA DE LAS EE RR Por propia definición, las EE RR no son regulares ni capaces de concentrar grandes potenciales de energía, es decir, que se precisa de una ocupación de tierra o mar importante. Así pues, la mayoría de las energías renovables son intermitentes, a excepción de: • • • •

La energía de las corrientes marinas. La energía geotérmica. La energía térmica oceánica. La biomasa.

Por tanto, y en el futuro, se deberían combinar o potenciar aquellos sistemas intermitentes con los que tienen carácter permanente. El uso masivo de EE RR pasa por buscar soluciones de almacenamiento y/o hibridadas para lograr un alto grado de regularidad.

EL FACTOR DE OCUPACIÓN DE TERRENO Debido, por una parte, al carácter incipiente de las EE RR, y por otra, a la propia naturaleza de las mismas, ateniéndose al estado de la tecnología actual, las EE RR precisan de una ocupación de suelo, o de mar, más o menos importante según la tecnología. Sin embargo vale la pena añadir unas cuantas reflexiones: •

•

La tecnología básica de las centrales nucleares se desarrolló en la década de 1940/1950 y ha ido mejorando hasta nuestros días, sin embargo hasta que no entren en funcionamiento los reactores de tercera generación no se va a notar avance sustancial alguno. En cambio, la tecnología eólica cuya tecnología básica se remonta al periodo 1980/1990, gracias al gasto en investigación y a la inversión masiva, en España esta EE RR ha superado la potencia instalada al parque nuclear. La tecnología termosolar se inició, de manera sólida, en 1980/1990 y no se ha retomado hasta principios de siglo XXI, si bien de manera tímida. Cuando existan diversos fabricantes experimentados de equipos (espejos, productores de sales fundidas, etc.), los costes de inversión descenderán, como ha acontecido con la eólica.

La Tabla 41.2 muestra diversos ratios de ocupación. Estas cifras se han extraído de numerosas fuentes dispersas y alguna, incluso contradictoria, por lo que los autores han debido hacer un ejercicio de homologación. Tabla 41.2. Ratios de ocupación de espacio para algunas EE RR.

MW/ha

ha/MW

Termoeléctrica de carbón

0,33

3,0

Termoeléctrica nuclear

1,0

1,0

Solar fotovoltaica

0,18

5,4

Termosolar (cilindros parabólicos)

0,45

2,2

Termosolar torre concentradora

0,2

4,9

Eólica en tierra

4,3

0,23

Eólica en mar

3,0

0,33

Chimeneas solares

0,15

6,3

722


Los datos que refleja la Tabla 41.2 incitan al optimismo. En el caso de la energía eólica, suponiendo que el viento es solo efectivo el 25% de las horas del año, un parque eólico de 4.000 MW de potencia instalada ocuparía 920 ha, y produciría una energía de 8.000.000 MWh/año. Una central eléctrica nuclear de 1.000 MW produce la misma energía y ocupa, aproximadamente, el mismo espacio, 1.000 ha. Es decir, el ratio generación de energía/espacio es el mismo. En la práctica esto no es así, ya que la central termoeléctrica genera 8.000 h/año sin interrupción, mientras que en caso del viento habrá que arbitrar sistemas complementarios, híbridos o de almacenamiento para que realmente el ratio energía generada a lo largo del año sea el mismo. Si se realiza la comparación entre centrales de carbón (precisan mucho espacio para almacenar combustible) y plantas termoeléctricas se llegará a resultados semejantes. En cambio en el caso de plantas de ciclo combinado la relación espacio/ energía es mas favorable. Sin embargo debería valorarse de alguna manera el espacio para el almacenamiento de gas natural que se emplea en las terminales de gas y plantas regasificadoras y las servitudes que comporta la red de transporte. Con las plantas de producción eléctrica a partir de biomasa o residuos acontece algo similar al carbón. La energía eólica en mar es más prometedora ya que permite diversas combinaciones, por ejemplo: las columnas que soportan los aerogeneradores pueden estar ligadas entre ellas y albergar plantas termosolares y debajo de estas, al nivel del mar, sistemas de generar electricidad a partir de las olas. De esta manera se abaratarán costes de instalación y se mejorarán tasas de ocupación de espacio.

EL COSTE DE LA ELECTRICIDAD Y LAS EE RR En la UE no existe una correlación clara entre la cantidad de energía renovable que consume un país y el precio que paga el contribuyente. Así, Suecia o Austria son de los países con mayor producción de electricidad de origen renovable de la UE, sin embargo sus ciudadanos pagan cara, en comparación con España, la electricidad. Tampoco existe una correlación evidente entre el consumo per cápita (kWh/persona año) y el pre-

cio que se paga por la electricidad. La Tabla 41.3 muestra dos totales parciales correspondientes a 2007. Uno referido a países a los que parece que debería tender España y la otra, al final de la tabla, correspondiente a la media de la UE-27. Tabla 41.3. Consumos y precios medios de la electricidad. País

kWh/año

c€/kWh

7.676

15,81

Austria

6.921

15,45

Francia

6.758

12,11

Paises Bajos

6.409

15,00

Eslovenia

6.379

10,64

Alemania

6.273

19,49

Dinamarca

6.193

25,79

Reino Unido

5.748

13,70

MEDIA

6.545

16,00

España

5.628

12,25

MEDIA UE-27

6.514

15,28

Bélgica

Lo que sí parece claro, a la vista de la Tabla 41.3, es: •

El precio de la electricidad en España se deberá incrementar de manera importante en los años inmediatos, al menos un 25%. Entre otros motivos para reducir el enorme déficit tarifario (a finales de 2008 el déficit llegaba casi a los 20.000 M€). • Para converger con los países mas desarrollados, España aumentará su consumo per cápita, al menos un 10%. Existen muchas voces críticas en el sentido de que las EE RR viven gracias a las subvenciones. Estos es cierto en el caso de las menos desarrolladas pero no en las más extendidas y experimentadas, como la eólica. Estas mismas voces no denuncian que, en el caso de las energías convencionales, no se hallan incluidos, simplemente porque no se cuantifican, los cada vez más importantes costes ambientales.

MODELOS DE SOSTENIBILIDAD La más pequeña y occidental de las islas Canarias, El Hierro, está a un paso de convertirse en autosuficiente en energía. El viento y el agua se explotarán en combinación para lograr que toda la electricidad de la isla sea 100% de origen renova-


ble. Se trata del mayor proyecto mundial de autoabastecimiento. A mediados de 2010 la isla será la más sostenible del mundo con una población de 10.600 personas. La naturaleza de una isla como El Hierro, con grandes desniveles y azotada por los regulares vientos alisios, ha permitido proyectar una central hidroeólica, un nuevo concepto de energía limpia donde el agua y el viento se alían para producir electricidad las 24 horas del día. Se acumula agua a 700 m de altitud en una caldera volcánica para dejarla caer y turbinarla cuando no haya viento suficiente. Una caldera situada casi en la vertical de la actual central térmica a 700 m de altura fue el gran hallazgo: solo hará falta impermeabilizarla. Una ladera cercana a esa altitud, situada en la vertiente de sotavento, servirá para instalar los cinco o seis aerogeneradores de 1,5 MW de potencia. Abajo, en la orilla del océano, estarán los depósitos inferiores de 225.000 m3, y entre ellos una única tubería de un metro de diámetro, que irá enterrada y subirá agua hacia el embalse superior, y por donde se dejará caer a razón de 2,5 m3/s para ser turbinada y producir electricidad. Se añade al conjunto una planta desalinizadora dimensionada para las necesidades de los herreños y para añadir agua a los depósitos por las pérdidas de evaporación. El sistema está pensado para 14.000 personas. Pero como es un sistema modular que permite ampliarse, poniendo más aerogeneradores, y llenar con más agua la caldera, la

723

térmica actual queda disponible para situaciones de emergencia. Con este proyecto se evitará el consumo de 6.000 toneladas de diesel que consume la térmica anualmente. Al evitar el suministro de esos 40.000 barriles de petróleo, se economizan fletes y transportes con un ahorro de casi dos millones de euros anuales. También se evitará la emisión de 18.700 toneladas de CO2, otras 100 de dióxido de azufre, 400 de óxidos de nitrógeno y siete de partículas. Para llevar adelante el proyecto nació la sociedad Gorona del Viento, formada por el Cabildo de El Hierro (60%), el Instituto Tecnológico de Canarias (10%) y Unelco-Endesa (30%), la empresa que suministra la energía eléctrica a la isla. El plan costará 54 millones de euros, de los que el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, del Ministerio de Industria, aportará 35 millones, desembolsados ya en parte. La planta hidroeólica suministrará cerca del 90% de la energía eléctrica, y el resto se completará con instalaciones solares térmicas y fotovoltaicas distribuidas por la isla, de 278 kilómetros cuadrados. El proyecto de El Hierro ha tenido repercusión mundial. Desde hace años se suceden las visitas institucionales y privadas para dar a conocer la viabilidad del plan. Se calcula que unas 1.000 islas en el mundo podrían albergar instalaciones similares en esta innovadora senda de 100% renovable, autosuficiente, independiente y sostenible.

Tiempo estimado para el cambio de modelo energético España, de acuerdo con las estadísticas referentes a la generación de electricidad, a 2008, y en cuanto a la potencia instalada, las EE RR representan el 26,1%, mientras que términos de energía suministrada es del 23,45%. Por tanto hay un buen trecho recorrido. Según REE, la demanda de energía eléctrica durante 2008 ha sido de 263.961 GWh, un 1% más que en el año 2007. También según fuentes de REE, la energía eólica superó en varias ocasiones los anteriores máximos históricos de potencia instantánea, de energía horaria y de energía diaria. El día 18 de abril de 2008 se registraron nuevos máximos históricos de producción eólica: 10.879 MW de potencia instan-

tánea, 10.727 MWh de producción eólica horaria y 213.169 MWh de producción eólica diaria, el 28,2 % de la demanda eléctrica de ese día. Para establecer un modelo se debe llevar a cabo una aproximación de los consumos que existirán en los próximos años y todo ello relacionado con el aumento de población, así como el incremento de consumo per cápita, una vez descontado el ahorro energético e incluir el consumo eléctrico extra del sector del transporte de 3,98 Mtep (equivalente a 46,22 TWh) en el 2040, 2,8 Mteps (32,5TWh) en el 2030 y 1,47 Mteps (17,04 TWh) en el 2020 evaluados en el Capítulo 25. Todo ello ha de suponer un aumento del 61,1% de la energía eléctrica en

724


Tabla 41.4. Consumo eléctrico previsto hasta 2040. Ratio de crecimiento anual de población (media 2007-2040)

0,57%

Ratio de crecimiento anual de consumo eléctrico (sin transporte)

1,10%

2007

2010

2020

2030

2040

Habitantes

Año

45.200.000

47.033.275

50.513.342

52.810.912

54.536.873

Consumo eléctrico MWh/año (sin transp.)

263.961.000

272.767.882

304.301.987

339.481.681

378.728.423

17.044.771

32.500.000

46.222.744

Consumo extra sector transporte Consumo total eléctrico MWh/año

263.961.000

272.767.882

321.346.757

371.981.681

424.951.167

Consumo eléctrico (kWh/año persona)

5.840

5.799

6.024

6.428

6.944

Consumo eléctrico total(kWh/año persona)

5.840

5.799

6.362

7.044

7.792

Potencia eléctrica instalada MW

93.000

Horas reales medias de funcionamiento

2.838

los próximos 33 años, lo que equivale a un aumento lineal del 1,9% anual (el 1,3% sin el extra que comporta el sector del transporte) o su equivalente del 1,46% acumulativo (el 1,1 sin el extra del sector del transporte). Mantener este incremento con el actual modelo resultaría insostenible. La Tabla 41.4, propone estas bases de partida, tomando como criterio de convergencia el consumo de electricidad per cápita (kWh/año) que se valora como elemento de partida. Un modelo podría consistir en ir eliminando, progresivamente, los combustibles convencionales para la generación de electricidad. A partir del momento en que las actuales nucleares lleguen a su fin de vida se deberían reconvertir en reactores de tercera generación. Así, en cuanto a la generación de electricidad y de acuerdo con los parámetros establecidos, un modelo de consumo podría ser el propuesto en la Tabla 41.5. Este modelo se logra a base de aumentar el porcentaje de EE RR un 4% hasta 2010, y después, de manera consecutiva, un 39%, 59% y 80% en cada década siguiente. Con ello quedaría un remanente de cerca del 11% para la nuclear y un poco más del 8% de las que se denominan energías convencionales, o fósiles, para subvenir anomalías en la generación de las EE RR.

Esta proporción de energía generada por instalaciones de EE RR, con mayoría eólica, y termosolar, hoy día no sería viable por recortes de producción (saturación de redes, riesgos de inestabilidad transitoria, inhabilidad de los parques para activar las protecciones por límites en la potencia de cortocircuito y energía no despachable, por baja demanda), pero en el futuro estas situaciones estarán superadas según aspectos como: •

•

•

La mayor cantidad de coches eléctricos y la tecnología VG2, que aplanarán la curva de demanda y ayudaran a corregir los problemas de evacuar la electricidad por baja demanda en la horas valle, tal como se ha comentado en los Capitulo 22 y 25. Coche eléctrico y generación eólica constituyen un binomio del futuro, y deben crecer conjuntamente. La propia gestión de la demanda, que puede variar mucho de la actual por la propia autonomía de los edificios y la creciente constancia del consumo de energía por parte de la industria. La gran proliferación de parques generadores en distintos lugares de la geografía española, incluido el mar, y por la mayor variedad de tecnologías utilizadas.

Tabla 41.5. Calendario para la generación de electricidad en los próximos años. Año

2007

2010

2020

2030

2040

Total energía eléctrica (MWh/año)

263.961.000

272.767.882

321.346.757

371.981.681

424.951.167

Energia generada (Carbón + GN+ FO)

134.620.110

140.111.642

155.072.866

135.015.905

35.578.479

Energía generada (Nuclear)

46.457.136

46.457.136

46.457.136

46.457.136

46.457.136

Enegía generada EERR

82.883.754

86.199.104

119.816.755

190.508.640

342.915.552

725

Potencial ubicación y calendario de implantación de las EE RR en España Tabla 41.6. Calendario de implantación de las EE RR. 2007

2010

2020

2030

2040

= ?? |*@&!

Año

82.883.754

86.199.104

119.816.755

190.508.640

342.915.552


27.577.524

32.000.000

32.000.000

32.000.000

32.000.000

Mini hidráulica

6.500.000

6.756.810

7.688.403

8.748.440

9.954.628

Eólica en tierra

22.806.230

26.409.467

43.063.903

70.221.020

114.504.060

Eólica en mar

2.000.000

5.886.836

17.327.416

51.001.825

Termosolar

1.200.000

1.747.615

6.118.727

21.422.804

75.005.231

Fotovoltaica

5.100.000

5.146.038

5.302.520

5.463.760

5.629.904

Undimotriz

1.000.000

2.367.364

5.604.411

13.267.678

Biomasa y residuos

7.900.000

8.607.424

11.455.841

15.246.870

20.292.449

Otros (incluye cogeneración)

11.800.000

12.448.738

14.880.007

17.786.107

21.259.776

TOTAL (MWh/año)

82.883.754

96.116.092

128.763.599

193.820.829

342.915.552

• • •

Las conexiones con otros países, Francia, Portugal, etc., de Europa y de África, Los avances en la propia tecnología de generación y distribución de la energía eléctrica. Los avances en sistemas de acumulación, que deberán avanzar mucho con el desarrollo de los automóviles eléctricos y que podrán hacerse extensivas a instalaciones de generación y en los mismos edificios, como por ejemplo se ha comentado actualmente ya lo realiza la urbanización Isla Corban (véase Capitulo 32). No es de extrañar que en el futuro los edificios tengan un sistema de acumulación controlado centralizadamente desde los puntos de generación de electricidad.

La primera fila de la Tabla 41.5 corresponde al valor calculado en la tabla anterior, mientras las filas restantes son los incrementos propuestos, cada década, según las diferentes fuentes de EE RR.

INCIDENCIA DE LAS DIVERSAS EE RR EN EL CALENDARIO DE IMPLANTACIÓN De acuerdo con la Tabla 41.6, la Tabla 41.7 propone la manera en que podría establecerse la generación de electricidad por lo que hace referencia a las EE RR. En 2008 no había en España ningún parque eólico en el mar (pero sí uno autorizado), muy poca energía termosolar y prácticamente nada de energía procedente de las olas, de ahí que la Tabla 41.7 proponga unas cifras modestas para 2010. Sin embargo, apoyándose en los desarrollos descritos en los diferentes apartados de esta Parte V, se han asumido las siguientes hipótesis:

La Tabla 41.6 propone un calendario progresivo de implantación de las EE RR hasta conseguir, en 2040, la generación de electricidad prácticamente sin intervención de los combustibles fósiles. Tabla 41.7. Reparto de las EE RR en las próximas décadas. Año Hidráulica convencional

2010

%

2040

%

% Incremento

32.000.000

33,3%

32.000.000

9,3%

0,0%

Mini hidráulica

6.756.810

7,0%

9.954.628

2,9%

32,1%

Eólica en tierra

26.409.467

27,5%

114.504.060

33,4%

76,9%

Eólica en mar

2.000.000

2,1%

51.001.825

14,9%

96,1%

Termosolar

1.747.615

1,8%

75.005.231

21,9%

97,7%

Fotovoltaica

5.146.038

5,4%

5.629.904

1,6%

8,6% 92,5%

Undimotriz

1.000.000

1,0%

13.267.678

3,9%

Biomasa y residuos

8.607.424

9,0% 20.292.449

5,9%

57,6%


12.448.738

13,0% 21.259.776

6,2%

41,4%

TOTAL Generación MWh/año

96.116.092

100,0%

342.915.552

100,0%

726


Tabla 41.8. Mix de generación eléctrica previsto para 2040. Año

2007

%

2040

%

Carbón + FO

71.269.470

27,0%

-

0,0%

Ciclo combinado GN

62.030.835

23,5%

35.578.479

8,4%

Nuclear

46.721.097

17,7%

46.457.136

10.9%


22.331.101

8,5%

32.000.000

7,5%

Renovables

61.502.913

23,3%

310.915.552

73,2%

TOTAL Generación MWh/año

263.961.000

100,0%

424.951.167

100,0%

•

•

•

Partiendo de la base de que la EE RR es efectiva un 25% de las horas del año, en 2010 se supone que habrá una potencia eléctrica efectiva instalada de eólica marina: 730 MW, termosolar: 638 y procedente de olas: 365 MW. La energía eólica en tierra dispone de un margen importante de desarrollo (ha habido años en que han instalado más de 3.500 MW). Lo mismo puede decirse de la eólica en mar. La energía termosolar ha de ser la energía “revelación” de las próximas décadas junto con la energía de las olas y gradiente salino.

Siguiendo con el incremento de energía consumida para 2040, la Tabla 41.8 muestra el mix previsto para este año, donde las EE RR tendrán un peso específico del orden del 70%. Según los datos facilitados por REE a primeros de 2009, la potencia instalada en el sistema peninsular ha aumentado en 4.243 MW durante 2008, alcanzando un total de 89.944 MW, lo que supone un incremento del 5% respecto a la del año anterior. La mayor parte de esta nueva generación proviene de los nuevos parques eólicos, que aportan a la potencia instalada 1.739 MW, y de otras energías incluidas en el régimen especial, con 2.145, de los cuales 1.416 MW son de energía solar, lo que supone un incremento del 212% de esa tecnología en relación a 2007. Por su parte, se han incorporado 706 MW provenientes de centrales de ciclo combinado y se ha cerrado un grupo de fuel de 350 MW. La Tabla 41.9 muestra la potencia eléctrica instalada a finales de 2008. En la terminología “oficial” solo se distingue, por su cuantía, la energía eólica, mientras que las

otras renovables forman parte del cajón de sastre del régimen especial. Tabla 41.9. Potencia eléctrica instalada a finales de 2008. Año

2008

%

Carbón

11.359

12,6%

Ciclo combinado GN

21.667

24,1%

Fuel/gas

4.418

4,9%

Nuclear

7.716

8,6%

Hidráulica

16.657

18,5%

Eólica

15.576

17,3%

Régimen especial

12.559

14,0%

TOTAL potencia instalada MW

89.952

100,0%

OTROS PROBLEMAS RELACIONADOS CON EL CALENDARIO DE IMPLANTACIÓN DE LAS EE RR Desde el punto de vista del calendario de instalación y puesta en marcha existen tres factores que pueden atrasar la deseable implantación de las energías renovables, que de manera resumida son: •

•

Aspectos administrativos y burocráticos. Las instalaciones de EE RR suelen ocupar terreno y, con frecuencia, afectan a áreas delicadas o semi-protegidas, lo que hace que para su autorización se complique ya que precisa el concurso de diversas instituciones: Medio Ambiente, Energía (Industria), Fomento (Obras Públicas, Territorio) y, a veces, Agricultura, además, lógicamente, de los ayuntamientos. Todo ello conlleva que la burocracia se eternice y se tarden años en conseguir la autorización. Aspectos económicos. Las aportaciones de dinero público son casi imprescindibles para la puesta en marcha de muchas variantes de


•

EE RR, ya sea en el área de la investigación y desarrollo, en las ayudas a la inversión (cada día mas escasas) y sobre todo en la explotación. El Estado español no se muestra muy proclive a la potenciación de las EE RR: una muestra de ello son las escasas primas a la generación de energía eléctrica en régimen especial (R.D. 661/2007) o bien la incomprensible limitación a 50 MW en la potencia de centrales de generación de energía renovable. Efecto “NIMBY”. La oposición a la instalación de centrales de energía, ya sean limpias o no, es habitual en toda España,

727

mucho más que en la mayoría de los países de nuestro entorno. Lo triste y lamentable es que esta oposición, en el caso de las EE RR, provenga de los grupos ecologistas. El último episodio lo han protagonizado Ecologistes de Catalunya e Ipcena, que han logrado que el Tribunal Superior de Justicia de Cataluña (8 de enero de 2009) haya sentenciado el derribo de dos parques eólicos, de 50 MW cada uno, en las sierras de Vilobí y Tallat en la provincia de Tarragona. Por suerte la sentencia no es firme y la Generalitat ha interpuesto un recurso de casación ante el Tribunal Supremo.

La producción de hidrógeno con EE RR

42

EL HIDRÓGENO PUEDE SER UN GRAN COMBUSTIBLE SI SE GENERA DE FORMA SOSTENIBLE • • •

• •

• •

•

•

• •

El hidrógeno va a ser un vector energético importantísimo en las próximas décadas. De ahí que se dediquen tantos esfuerzos a su obtención por métodos avanzados. En el campo de la automoción el hidrógeno, a través de su aplicación a las pilas de combustible, va a jugar un papel de primer orden. Se está investigando mucho en un ciclo termodinámico que permita la obtención directa del hidrógeno de los rayos solares, por medio de procesos catalíticos, en receptores capaces de alcanzar los 3.000 ºK. La obtención de hidrógeno, vía electrólisis, tiene un futuro asegurado siempre que la fuente primaria de energía sea abundante y barata. HYDROSOL II pretende dar el salto tecnológico que permita su transferencia al entramado industrial y empresarial de la tecnología de producción de hidrógeno mediante energía solar por concentración. Se han desarrollado diversos sistemas hibridados para obtener hidrógeno, exclusivamente de EE RR, a partir de la electrólisis. Las investigaciones acerca del almacenamiento de hidrógeno se enfocan principalmente hacia el uso de nanotubos, así como de otras formas geométricas de átomos simples de carbono (nanoestructuras), cuyo tamaño no es mucho mayor a las moléculas de hidrógeno, y mantienen un alto radio densidad-espacio. En el campo de la bioenergia, algunas algas verdes, en condiciones anaeróbias y sometidas a radiación solar, dejan de producir oxígeno y comienzan a generar hidrógeno por un periodo breve de tiempo (reacción de fotorreducción). Sin oxígeno, las células anaeróbias no pueden quemar el combustible almacenado de la forma habitual (respiración metabólica) y si se les priva además de azufre en su medio de crecimiento, activan un mecanismo alternativo productor de hidrógeno a gran escala. Este mecanismo (interruptor molecular) hace que la célula ponga en marcha o detenga su sistema fotosintético. En cualquier caso es fácil adivinar que la generación de hidrógeno es otro parámetro de generación de energía eléctrica que obligará a una mayor producción de EE RR. Como alternativa a estos sistemas físicos de obtención de hidrógeno, la Parte VI de esta obra se destina a los procesos bioenergéticos.

730 •


En el campo de la minería, se calcula que las minas de carbón aportan casi el 10% del metano que se emite a la atmósfera y puede ser capturado para aprovechar la energía. Así, en Polonia existen 33 minas activas, 29 de las cuales presentan un recurso explotable de 95.000 millones de m3 y en 14 de ellas se aplica ya su aprovechamiento.

Introducción El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo y muy común en el planeta Tierra, y es también fuente importante de energía renovable, presente en el agua y aire del planeta, así como en muchos compuestos orgánicos. El hidrógeno no se presenta naturalmente como un gas en sí mismo, sino combinado siempre con otros elementos. Una vez separado, el hidrógeno puede ser utilizado como recurso energético. Con hidrógeno pueden llenarse los tanques de combustible de los vehículos en lugar de usar gasolina. También se puede generar electricidad in situ. El hidrógeno no contamina en absoluto, porque cuando se oxida solo emite vapor de agua. Las pilas de combustible combinan de forma electroquímica hidrógeno y oxígeno para producir electricidad, y hacen del hidrógeno un combustible universal ideal. Actualmente la producción de hidrógeno se realiza a partir de gas natural, que es un combustible fósil escaso, costoso y que en su proceso libera dióxido de carbono. El hidrógeno tiene muy alta energía en relación con su peso, pero baja energía en relación a su volumen. Por esta razón se requiere tecnología especial para almacenar y transportar el hidrógeno. En este sentido, las investigaciones tecnológicas para mejorar la eficiencia y durabilidad de las pilas de combustible se encuentran aún en desarrollo. Los investigadores trabajan para que el hidrógeno sea próximamente la fuente más importante de energía, de cara a solucionar el problema energético del transporte.

Debido a su baja densidad, el hidrógeno requiere gran espacio para ser almacenado y transportado. Esto evidentemente resulta poco práctico para vehículos de transporte y tanques de almacenamiento. Actualmente se comprime el hidrógeno en tanques presurizados, pero este método es aún insuficiente porque su volumen es mayor al deseado para su transporte, almacenamiento y procesamiento. Cuando el hidrógeno es líquido su densidad se duplica respecto al comprimido a unos 350 bares, pero se requiere gran cantidad de energía para disminuir su temperatura a -253 °C, a fin de aumentar su densidad. Asimismo, son necesarios tanques costosos, fabricados con materiales aislantes para mantener la temperatura y, aun así, el volumen de hidrógeno continúa siendo mayor al deseado para su manejo. Las investigaciones acerca del almacenamiento de hidrógeno se enfocan principalmente hacia el uso de nanotubos, así como de otras formas geométricas de átomos simples de carbono (nanoestructuras), cuyo tamaño no es mucho mayor a las moléculas de hidrógeno, y mantienen un alto radio densidad-espacio. Es decir, alta densidad en poco espacio. Estas nanoestructuras tienen capacidad para adsorber hidrógeno en sus superficies. Los investigadores han desarrollado la nanoescala cuya unidad equivale a la billonésima parte de un metro. Se investiga sobre las características de las nanoestructuras, principalmente nanotubos de una sola pared, que pueden aumentar la capacidad de almacenamiento de hidrógeno. Este tipo de almacenamiento resulta prometedor.

Producción de hidrógeno con energía solar Los ciclos termoquímicos son series de reacciones cuya suma global es la descomposición de agua en sus elementos constituyentes, hidrógeno y oxígeno. Mediante estos ciclos se consigue la

descomposición a temperatura más baja que la necesaria para la ruptura directa de la molécula de agua y, por otra parte, se producen el oxígeno y el hidrógeno en etapas separadas, lo que evita tener


que separar estos dos gases a alta temperatura. Al ser un proceso cíclico, el único reactivo consumido es, en teoría, el agua, y los únicos productos son oxígeno e hidrógeno. Si se acoplan estos ciclos a la radiación solar concentrada como fuente de energía para alcanzar la temperatura necesaria, este proceso se convierte en una alternativa muy interesante para la producción de hidrógeno de manera sostenible. Los ciclos que más se están estudiando para su aplicación con energía solar son los basados en óxidos metálicos, de dos etapas, en los que se obtiene el oxígeno reduciendo un óxido metálico y el hidrógeno reoxidándolo con agua, como se observa en el esquema de la Figura 42.1.

Figura 42.1. Ciclo termoquímico del agua con energía solar.

Aunque esta reacción es aparentemente muy sencilla, presenta dos graves inconvenientes que

731

dificultan su desarrollo. Por un lado, las elevadas temperaturas que se precisan para conseguir un grado de disociación razonable (superiores a 2.500 ºK), que dan lugar a problemas de materiales y a un aumento de las pérdidas por re-rradiación, disminuyendo la eficiencia de la absorción. Por otro, la necesidad de una técnica efectiva de separación del hidrógeno y el oxígeno, para evitar una mezcla explosiva. Los altos flujos de radiación que se consiguen con los sistemas ópticos para concentración solar dan lugar a temperaturas estacionarias por encima de los 3.000 ºK, que permiten que la conversión de la energía solar a energía térmica se realice a temperaturas del orden de los 2.000 ºK y superiores, que son las que se emplean en los ciclos termoquímicos de dos pasos que se basan en la reducción de un óxido metálico. El primer paso, endotérmico, es la reducción, mediante energía solar, del óxido metálico (MxOy). Esta reducción puede ser a metal o a un óxido metálico de menor valencia. También se puede realizar una carborreducción del óxido metálico, utilizando como agente reductor carbón o gas natural. El segundo paso, que no requiere de energía solar, es la hidrólisis exotérmica del agua, acompañada de la oxidación del metal, para for-

Figura 42.2. Ciclos termoquímicos solares de dos pasos para producir hidrógeno.

732


mar el hidrógeno y el correspondiente óxido metálico. Ya se ha comprobado experimentalmente que la reacción de separación de la molécula de agua ocurre de forma exotérmica y con una tasa de realización razonable cuando se burbujea vapor a través del metal fundido, a temperaturas del orden de 700 ºK. En la Figura 42.2 se observa esquemáticamente el proceso de reacciones necesarias hasta la obtención de hidrógeno. La Plataforma Solar de Almería, centro territorial del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) ha inaugurado la planta piloto HYDROSOL II que permitirá la utilización del enorme potencial de la radiación solar y su adecuada conversión a combustibles químicos como el hidrógeno, mediante la disociación del agua, lo que en sí mismo es de gran interés tecnológico. El proyecto HYDROSOL II, como ya lo fue el HYDROSOL I, es el resultado de un esfuerzo de investigación corporativa de ámbito europeo. Tanto desde el punto de vista energético como económico, y en todo el mundo, la integración de sistemas solares de concentración con sistemas capaces de disociar agua está considerada como el objetivo más importante a largo plazo en la producción de combustibles solares para reducir los costes de generación del hidrógeno y asegurar emisiones de dióxido de carbono prácticamente nulas. La descomposición del agua en sus dos elementos básicos: hidrógeno y oxígeno, se realiza siguiendo los ciclos termoquímicos (reacciones consecutivas). El proyecto HYDROSOL II pretende aplicar la radiación solar concentrada para proporcionar la temperatura que se requiere para que estas reacciones encaminadas a romper la molécula de agua se produzcan. Como es obvio, la mejora de la tecnología va encaminada a ser lo más eficiente posible en conseguir una fuente de hidrógeno sostenible. Se estudian así los ciclos basados en óxidos metálicos, mediante procesos de reducción y oxidación sucesivas. El proyecto HYDROSOL II es la continuación lógica del proyecto HYDROSOL I que tuvo una duración de cuatro años (2002-2005), en el que participaron centros de investigación y empresas internacionales, así como el CERTH-CPERI griego, el DLR alemán, el Stobbe Tech Ceramics Da-

nés, y Johnson Matthey Fuel Cells Plc británico; HYDROSOL II pretende dar el salto tecnológico que permita su transferencia al entramado industrial y empresarial de la tecnología de producción de hidrógeno mediante energía solar por concentración; mientras que la hidrólisis térmica directa precisa de varios miles de grados, las reacciones diseñadas en el proyecto HYDROSOL II necesitan temperaturas inferiores a los 1.400 ºC (entre 800 y 1.200 ºC), pero además, mientras que la potencia de HYDROSOL I era de 10 kW(t), la de HYDROSOL II es de 100 kW(t). La planta inaugurada se integra en la instalación SSPS-CRS de la plataforma solar de Almería, perteneciente al proyecto Small Solar Power Systems, originalmente planta de demostración para producción de electricidad. El diseño es una estructura alveolar cerámica, es decir, que está construido con monolitos de materiales cerámicos especiales en forma de panal de abeja para absorber la radiación solar, a su vez recubiertos de materiales con oxígeno altamente activo que sirven como “trampas para oxígeno” y disociación de la molécula de agua. Su viabilidad tecnológica ha sido demostrada por el horno solar del DLR alemán en Cologne-Porz. En el caso del reactor del HYDROSOL II, los rayos se proyectan sobre cerámicas cubiertas de ferritas, que pierden el oxígeno frente al calor. Al hacer circular agua (H2O) por ellas, recuperan el oxígeno disociando las moléculas que contiene el agua, entre ellas las dos de hidrógeno, que posteriormente se puede almacenar. En la planta solar de Almería lo que están ensayando es hacer del hidrógeno un combustible sostenible puesto que para su producción se utiliza solo la energía proveniente del Sol. Las formas convencionales de producir hidrógeno precisan de un alto consumo energético. Las tecnologías para disociar el agua y conseguir hidrógeno como futuro combustible de vehículos eléctricos se consideran prioritarias. El Centro Aeroespacial Alemán (DLR por su sigla en alemán) trabaja en una forma alternativa de generación de hidrógeno a partir de la energía solar. Este sistema emplea una capa catalítica para forzar la formación de hidrógeno molecular a partir de vapor de agua e hidrocarburos simples tipo metano CH4. Las Figuras 42.3 y 42.4 muestran una


fotografía del reactor catalítico y un esquema de su funcionamiento, respectivamente.

733

no conectados a la red principal de distribución de energía eléctrica, y también en plantas de gran tamaño. La tecnología tiene el potencial para trabajar en operaciones híbridas empleando tanto energía solar como combustibles fósiles. En el proyecto SOLASYS, el desafío principal era modificar un receptor-reactor previamente desarrollado y ajustar el sistema de modo que trabajara con vapor y diversos combustibles hidrocarburos (principalmente metano).

Figura 42.3. Fotografía de un reactor catalítico del proyecto DLR-SOLASYS.

El proceso implica el reformar los hidrocarburos con ayuda del vapor en receptores-reactores solares y la utilización del combustible en sistemas de conversión muy eficientes tales como turbinas de gas o pilas de combustible. Este proceso se puede utilizar en una pequeña escala como sistema independiente para los mercados pequeños

Figura 42.4. Esquema de funcionamiento reactor catalítico SOLASYS.

Producción de hidrógeno mediante electrólisis con electricidad renovable El hidrógeno no es una fuente de energía propiamente dicha, sino un vector (transportador) de energía, que permite su almacenamiento, transporte y utilización como muestra la Figura 42.5. Mediante la tecnología de pilas de combustible (dispositivos electroquímicos que producen electricidad a partir de la combinación de hidrógeno con el oxígeno del aire), el hidrógeno no produce emisiones contaminantes ni contribuye al calentamiento global, dado que solo emite vapor de agua en dichos procesos de conversión energética (Esta afirmación no es rigurosa. El vapor de agua es, precisamente, el primer gas de efecto invernadero pero, a diferencia del CO2, de ciclo de vida muy corto y suele convertirse en agua a las pocas horas). No obstante, tan solo el hidrógeno obtenido a partir de energías renovables garantiza un produc-

to con “emisiones cero” en la totalidad del ciclo de producción. Es por ello que las iniciativas de ACCIONA Energía en esta área están centradas en la producción de hidrógeno a través de la electrólisis del agua a partir de electricidad de origen eólico, buscando así un modelo energético sostenible. Dentro de esta línea de actuación, ACCIONA Energía inició un proyecto de investigación en la Universidad Pública de Navarra que consiste en simular en laboratorio las condiciones de generación eléctrica propias de un parque eólico y analizar sus efectos en un electrolizador, dispositivo que genera hidrógeno y oxígeno a partir del agua mediante la aplicación de electricidad. Los datos que se obtengan permitirán diseñar aerogeneradores y electrolizadores específicamente destinados a la producción de hidrógeno con la máxima eficiencia.

734


Figura 42.5. Sistema de conversión, almacenamiento y consumo de hidrógeno.

El hidrógeno producido se almacena en un depósito comunicado con una pila de combustible. En la pila, la combustión del hidrógeno genera energía eléctrica y como producto de reacción exclusivamente agua. Hidrógeno y electricidad, conectados por las pilas de combustible, representan conjuntamente un sistema de energía sostenible limpio, tal vez el sistema ideal para el futuro. Las pilas de combustible, inventadas en el siglo XIX pero utilizadas por vez primera en las misiones espaciales Apolo en la década de los 60, son dispositivos que en un proceso inverso al de electrólisis producen electricidad mediante la reacción del hidrógeno y del oxígeno en sus electrodos. Estos actúan como catalizadores de una reacción que consume hidrógeno y oxígeno liberando agua como único producto de la misma. Existen varios tipos de pilas de combustible en función de la naturaleza de los electrodos y del electrolito soporte. Uno de estos tipos son

las denominadas PEM (polymer electrolite membrane o proton exchange membrane). La Figura 42.6 ilustra de manera esquemática uno de estos dispositivos.

Figura 42.6. Pila de combustible de hidrógeno.

Bioenergía En la Parte VI de esta obra se lleva a cabo un profundo estudio de la bioenergía, aquí se plantea como alternativa a los sistemas físicos. En 1939, Gaffron observó que algunas algas verdes, en condiciones anaerobias y sometidas a radiación solar,

dejaban de producir oxígeno y comenzaban a generar hidrógeno por un periodo breve de tiempo (reacción de fotorreducción). En 1999, Tasios Melis, de la Universidad de Berkeley en California, Estados Unidos, y un grupo


de investigadores del National Renewable Energy Lab (Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Denver), descubrieron que, privadas de azufre y oxígeno, las algas Chlamydomonas reinhardtii comenzaban a generar hidrógeno durante periodos mucho más largos produciendo un caudal de 3 ml/ hora de H2 por litro de cultivo durante cuatro días. Sin oxígeno, las células anaerobias no pueden quemar el combustible almacenado de la forma habitual (respiración metabólica) y si se les priva además de azufre en su medio de crecimiento, activan un mecanismo alternativo productor de hidrógeno a gran escala. Este mecanismo (interruptor molecular) hace que la célula ponga en marcha o detenga su sistema fotosintético. Experimentalmente se ha logrado que en presencia de azufre las algas realicen de forma normal

735

la fotosíntesis (oxidación a agua, desprendimiento de oxígeno y acumulación de biomasa); pero al suprimir un motor de crecimiento como el azufre, las algas actúan como un interruptor metabólico que de forma selectiva y reversible desconecta la producción de oxígeno por fotosíntesis, y si al mismo tiempo, hay ausencia de oxígeno, las algas pasan a la producción de hidrógeno que les sirve como alternativa para respirar mediante la luz y sobrevivir. Durante la última década se han diseñado fotobiorreactores cada vez más eficientes para la obtención de biomasa, con rendimientos que bordean el 10% en términos de la energía radiante recibida versus la expresada como hidrógeno. Desde el punto de vista bioquímico, la producción industrial de hidrógeno es un problema com-

Figura 42.7. Fotobiorreactor industrial, fase aerobia y anaerobia.

736


plejo porque el manejo de los fotosistemas y de la hidrogenasa (sensible al oxígeno) se debe efectuar desde el espacio exterior a las células, y el reactor debe permitir la absorción de la luz en la clorofila y al mismo tiempo debe impedir el contacto con la atmósfera, ya que esta contiene oxígeno que se combinaría con el hidrógeno gas conseguido. El esquema del proceso industrial de producción de H2 mediante microalgas y biorreactores puede verse en la Figura 42.7.

Bajo condiciones aerobias y en presencia de CO2 o NaHCO3, se produce un ciclo de crecimiento de las algas y/o su recuperación; bajo condiciones anaerobias y en presencia de luz se produce el H2. El hidrógeno producido sale del fotobiorreactor ingresando en un desgasificador que permite la salida del hidrógeno generado. Se estima que el área necesaria para producir 1 GWh es de unos 64 Km2 y que el costo de producción del hidrógeno será de 10-15 €/GJ (0,036 a 0,054 €/KWh).

Otros recursos naturales Aunque se trate de un recurso no renovable, el grisú que escapa de las minas de carbón, básicamente de hulla, tiene un potencial energético enorme, puesto que, por término medio, contiene un 70% de metano, además de CO2, nitrógeno y, en menor proporción, argón, helio e hidrógeno. El grisú tiene el mismo origen que el carbón y se forma a la vez que él durante el proceso de carbonificación. La mayor parte del grisú, en torno al 95%, se encuentra adsorbido sobre la superficie interna del carbón. Esta adsorción se debe a la fuerzas de Van der Waals entre las moléculas del gas y las partículas de carbono. Se estima que el carbón tiene una superficie interna de 20 a 200 m2/g, con lo cual puede adsorber una cantidad importante de grisú. El resto del grisú, alrededor del 5%, está en forma libre en las grietas, fisuras y fracturas que existen en el interior de la capa y del propio carbón. Además del carbón, también es posible la presencia de grisú en otros tipos de yacimientos sedimentarios, como potasa, yeso o caliza. Su contenido en grisú es menor que en el caso del carbón debido a la ausencia de sustancias adsorbentes. En febrero de 2008 tuvo lugar en Polonia (país con

grandes reservas de carbón) un congreso internacional para la valorización de este gas. Se calcula que las minas de carbón aportan casi el 10% del metano que se emite a la atmósfera y puede ser capturado para aprovechar la energía. Así, en Polonia existen 33 minas activas, 29 de las cuales presentan un recurso explotable de 95.000 millones de m3 y en catorce de ellas se procede ya a su aprovechamiento. Sin embargo, es China el país que más proyectos tiene, unos 60 en marcha, uno de los cuales alimenta con sus gases una central de 120 MW, la mayor del mundo de esta tecnología. EE UU tiene proyectos en diez minas activas y veinte clausuradas, con preferencia depurando gases e inyectándolos en los gaseoductos disponibles. En la actualidad, el aprovechamiento mundial de estos gases se cifra en 3.000 millones de metros cúbicos, lo que permitiría una producción de electricidad equivalente a una central nuclear convencional. Por otra parte, siendo el gas natural la principal fuente de hidrógeno, la posibilidad de emplear el grisú como sustituto para su obtención evitaría el uso del gas natural a la vez que se reduciría la emisión de gases de efecto invernadero.


737

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VI BIOMASA Y BIOENERGÍA

Esta parte se inicia con la definición de los términos, tipos y posibilidades de la biomasa en su dimensión energética, especialmente referente a los sistemas de conversión energética, a la que se dedica tres capítulos: uso directo de la biomasa sólida, la biomasa convertida en líquidos y la biomasa transformada en gas. Si bien es verdad que el rendimiento de la fotosíntesis es muy reducido, la cantidad de vegetales en el Planeta suple la baja tasa de conversión energética y la hace candidata a uno de los recursos energéticos del futuro, en particular la fotosíntesis llevada a cabo en el mar. En el Capitulo 47 se llevan a cabo comparaciones entre los diversos sistemas de conversión energética de la biomasa. Al margen de la presentación física del combustible, el sistema más eficiente de conversión en energía es la gasificación, en el que entre el 75% y el 80% de la energía entrante en el sistema se transfiere al gas de síntesis. Sin embargo, cada sistema tiene sus ventajas e inconvenientes, y sus aplicaciones más adecuadas. Así, si la biomasa está diluida con mucho agua posiblemente la digestión anaerobia es el sistema más indicado. En el caso de la pirólisis una fracción importante del gas producido se debe invertir en el mismo proceso para el calentamiento del reactor y además, en general, la mitad de la energía de la biomasa permanece en el coque que se genera en el reactor, aunque a su vez puede valorizarse. Los tres últimos capítulos presentan los nuevos campos que se están abriendo con la biomasa. En el Capítulo 48 se expone la realidad y las posibilidades de las microalgas (posiblemente el único organismo con posibilidades reales de sustituir al petróleo), en el Capítulo 49 la aportación de la biotecnología (que permite identificar, reproducir y optimizar los principios activos que produce el cuerpo humano para combatir las enfermedades) a la generación de energía así como los procesos industriales comunes (desde la industria farmacéutica a la minería). De estos se induce el concepto de biorrefineria que se desarrolla en el Capítulo 50.

Índice VI: BIOMASA Y BIOENERGÍA 43. Bioamasa y bioenergía ................................................... 741 • Introducción ............................................................... 742 • Definición de biomasa ............................................... 745 • Tipos de biomasa ....................................................... 748 • Cultivos energéticos................................................... 756 • El inventario de la biomasa........................................ 764 44. Combustibles residuales. Valorización de residuos ....... 769 • Introducción ............................................................... 770 • Generación de residuos de la industria agrícola ........ 770 • Generación de residuos de la industria forestal ......... 773 • Fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos .... 775 • Residuos procedentes de la industria ganadera ......... 776 45. Combustibles líquidos a partir de la biomasa ................ 781 • Introducción ............................................................... 782 • Aceites vegetales ....................................................... 784 • Alcoholes ................................................................... 786 • La gasificación y los combustibles de segunda generación .................................................................. 790 • Combustibles a partir de la celulosa .......................... 790 • Bio-oil a partir de la pirólisis de fangos..................... 791 • Los biocarburantes. Sostenibilidad ............................ 791 46. Los biogases................................................................... 799 • Introducción ............................................................... 800 • Estimación y cálculo de la cantidad de metano producido por compuestos orgánicos ........................ 801 • Propiedades de gases y vapores ................................. 804 • Principales usos del biogás ........................................ 805 • Gases de síntesis ........................................................ 809 • Comportamiento de gases y vapores en la combustión................................................................. 815

47. La eficiencia de las transformaciones energéticas en la biomasa .......................................................................... 819 • Introducción ............................................................... 819 • La conversión vía metanización ................................ 821 • La valorización por medio de la pirólisis .................. 826 • Las posibilidades de gasificación............................... 826 • La incineración. Proceso final.................................... 828 • Comparación de la eficacia de los procesos de conversión .................................................................. 829 48. Las microalgas y los carburantes del futuro .................. 831 • Introducción ............................................................... 832 • Especies, tipos y características ................................. 834 • Cantidades de micoalgas de interés ........................... 836 • Microalgas y lípidos .................................................. 837 • Microalgas e hidratos de carbono. Alcoholes ........... 841 • Procesos de obtención de carburantes a partir de microalgas .................................................................. 844 • Costes aproximados de fabricación ........................... 850 49. Biotecnología y sistemas avanzados de ahorro de energía ....................................................................... 855 • Introducción ............................................................... 856 • La biotecnología industrial ........................................ 858 • La biotecnología aplicada a la producción de materiales de interés energético ............................ 861 • La biotecnología en la industria de las materias primas .......................................................... 863 50. Noción de biorrefinería .................................................. 871 • Introducción ............................................................... 872 • Productividad de la función fotosintética .................. 876 • Algunos referentes internacionales ............................ 876

BIBLIOGRAFÍA. PARTE VI .............................................. 878

Biomasa y bioenergía

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LA BIOMASA ES, EN ESPAÑA, UN RECURSO MUY IMPORTANTE AL QUE SE LE PRESTA POCA ATENCIÓN •

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El desarrollo de nuevas industrias de biotecnología podría proporcionar servicios de energía limpia a más de 2.400 millones de personas que recurren a la biomasa para sus necesidades energéticas. Según la FAO, la bioenergía resulta atractiva cuando el petróleo supera los 70 dólares americanos. Teóricamente, las algas son la única fuente de biomasa capaz de reemplazar, en su totalidad, el gasóleo. Las macroalgas que se emplean para biocombustibles crecen atándolas a cuerdas flotantes. Las microalgas tienen un futuro más prometedor. Una hectárea puede generar 125.000 litros de biodiesel, mientras que un cultivo de girasol de esta superficie produce 500 litros (300 veces menos). La ingeniería genética ha conseguido una alga mutante que en lugar de tener 600 moléculas de clorofila por clorosplasto tiene 150, si bien individualmente se reduce la eficiencia, permite una mayor densidad que, en conjunto, aprovecha mejor la luz. En nuestra latitud: 1 ha de bosque puede fijar 5 toneladas CO2/año y crear 6,2 toneladas madera (la Tabla 43.9 proporciona productividades de madera por hectárea). Los bosques almacenan más CO2 del que hay en la atmósfera. El rendimiento de la fotosíntesis no excede del 1-2%. A escala mundial no alcanza el 0,1%, lo cual constituye un gran punto de investigación. Aun así, la biomasa producida anualmente es del orden de 1,7x1014 kg equivalentes a 68.000 millones de toneladas de petróleo (68x109 tep o 748x109 MWh). La biomasa almacenada en el planeta contiene una energía equivalente a todos los combustibles fósiles juntos. El suministro y logística de distribución de biomasa no está organizada. Se calcula que en los próximos años podría abastecer el 15% de las necesidades energéticas del planeta. En España, la cantidad de residuos orgánicos se cifra en 13 kg/habitante y día. Esta cantidad, transformada en energía eléctrica, equivaldría a la potencia instalada en el parque nuclear español. Los combustibles a base de biomasa tienen un PCI notable (del orden de 4.000 kcal/kg) y un contenido insignificante de azufre.

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Los cultivos energéticos han de ser compatibles con las características de la zona de producción, en particular el consumo de agua y el empleo de fitosanitarios. Antes de iniciar un cultivo energético debe analizarse el balance energético del mismo, los impactos y riesgos ambientales. La Tabla 43.5 proporciona la productividad media (litros/hectárea y año) de los cultivos de biodiesel y la Tabla 43.7 la de bioalcoholes. El coste (2007) de los biocarburantes oscila entre 0,2 y 0,6 €/l, según tipo de cultivo y sistema de obtención. A 2007, el CO2 emitido por los españoles, si tuviese que ser absorbido por la masa forestal, se precisaría una superficie casi cinco veces la actual. España tiene una biomasa forestal disponible de 6,5 millones toneladas/año. Debido a la erosión España pierde, al año, 45.000 hectáreas de bosque. En cambio, el objetivo ideal sería alcanzar los 250 árboles por persona en 2030.

Introducción La bioenergía es la energía que se obtiene a partir de biomasa, que es la materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía. Biomasa es, por tanto, toda planta o materia que hay sobre la superficie: residuos agrícolas, forestales, restos de las industrias de la madera y cultivos energéticos como cardo, girasol, paulonia, etc. También incluye todos los productores de energía provenientes de biomasa, incluyendo los organismos vivos, de origen biológico. La biomasa se encuentra disponible localmente como fuente de energía que puede proveer electricidad, calor y energía. Por extensión también se incluye en este apartado la biomasa creada en el mar. Los biocarburantes líquidos permiten disponer de transportes más limpios y los biocombustibles gaseosos son utilizados para generar electricidad o para el consumo doméstico. En España el desarrollo de la bioenergía está siendo extremadamente lento, debido sobre todo a la falta de apoyo político suficiente. Sin embargo, en otros países de nuestro entorno la situación es bien diferente: Suecia, Finlandia, Austria, Dinamarca, Italia, Alemania, Francia, y en menor medida Inglaterra, han apostado ya de forma decidida por la bioenergía, legislando a favor de su desarrollo, fomentando la concienciación y apoyando iniciativas industriales. El interés de la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimenta-

ción) en los sistemas de bioenergía deriva de las repercusiones positivas que los cultivos energéticos tendrían en las economías rurales y de las oportunidades que ofrecen a los países de bajos ingresos para diversificar sus fuentes de energía. Según la FAO: “La introducción de la bioenergía significaría un nuevo brote de vida para productos como el azúcar, cuyos precios internacionales han caído”. “Cuando el petróleo cuesta más de 70 dólares por barril, la bioenergía resulta más competitiva”, asegura el subdirector general para el Departamento de Desarrollo Sostenible de la FAO, y agrega que además “en la última década las cuestiones ambientales y los modelos de consumo de energía han servido de propulsores para que las formas más renovables de energía se incorporasen a los planes energéticos nacionales y se redujese la dependencia de los combustibles fósiles”. La producción mundial de biocombustibles por sí sola se ha duplicado en los últimos cinco años y probablemente se vuelva a duplicar en los próximos cuatro. El rápido desarrollo de la bioenergía en el mundo presenta claramente un amplio rango de oportunidades, pero también acarrea desventajas y riesgos. La experiencia en cuanto a sus impactos sociales, económicos y ambientales asociados es limitada. La política agrícola, incluyendo la disponibilidad de tierra, infraestructura agrícola y acceso a créditos, determinarán la escala y la distribución de los


beneficios económicos. En el ámbito internacional, los esfuerzos para reducir los subsidios agrícolas en los países ricos y de permitir un libre comercio en los productos agrícolas básicos están vinculados de manera inextricable al desarrollo de biocombustibles líquidos de primera generación (etanol y biodiesel), que se ha vuelto el segmento de mayor crecimiento del mercado agrícola mundial. En el estado en que se encuentra la producción de biocombustibles líquidos en el mundo, la producción de alimentos y la de biocombustibles son sustitutivas. Pero con modernos sistemas de bioenergía se podría incrementar la producción de alimentos en el entorno local. El nivel de competitividad dependerá de diversos factores, incluyendo los precios de los combustibles fósiles, el rendimiento y los costos de los cultivos, y el ritmo en que se desarrollen las tecnologías de biocombustibles de segunda generación a partir de material vegetal no comestible, es decir, de biomasa lignocelulósica. El desarrollo de nuevas industrias de bioenergía podría proporcionar servicios de energía limpia a los más de 2.400 millones de personas que recurren a la biomasa tradicional para sus necesidades energéticas, y a los 1.600 millones sin acceso alguno a la electricidad. Al mismo tiempo estos pueden generar ingresos y crear empleos en las zonas más pobres del mundo. Sin embargo, el rápido crecimiento en la producción de biocombustibles ha elevado los precios de la materia prima agrícola y podría tener efectos negativos en los ámbitos económico y social, particularmente entre los pobres, que gastan una gran parte de sus ingresos en alimentos. Así, se deben evaluar cuidadosamente los impactos económicos, sociales y medioambientales antes de decidir si se va a desarrollar la industria, cuán rápido se desarrollará, y qué tecnologías, políticas y estrategias de inversión se esperan. El rápido crecimiento en la producción generará una demanda sustancial sobre los recursos de tierras y agua en el mundo, en un momento en que la demanda de productos alimentarios y forestales también está creciendo de manera acelerada. El crecimiento de los biocombustibles líquidos ya ha comenzado a elevar los precios de los dos productos agrícolas básicos más importantes del mundo: el maíz y el azúcar.

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A menos que se promulguen nuevas leyes para proteger a las tierras amenazadas, asegurar un uso socialmente aceptable de la tierra y conducir el desarrollo de la bioenergía en una dirección sostenible globalmente, el daño social y ambiental podría, en algunos casos, superar los beneficios. Por todo ello se estima que, en un futuro inmediato, los desafíos y las oportunidades se hallan en nueve áreas clave: 1. Capacidad de la bioenergía moderna para proporcionar servicios energéticos para los pobres. 2. Desarrollo agroindustrial y creación de empleos. 3. Salud y género de la bioenergía moderna. 4. Estructura de la agricultura. 5. Seguridad alimentaria. 6. Presupuesto de gobierno. 7. Comercio, balances de divisas,6y la seguridad energética. 8. Biodiversidad y manejo de recursos naturales. 9. Cambio climático. Huyendo de la confrontación con los grupos que defienden que la agricultura debe priorizar el cultivo de alimentos, científicos de la Universidad de Berkeley (California) han obtenido un tipo de alga mutante que es capaz de realizar una fotosíntesis de forma más eficiente, con una producción de hidrógeno tres veces superior a la de las algas convencionales y una mayor producción de aceite. Estas algas podrían utilizarse para usos bioenergéticos, tanto en la producción de hidrógeno como para biocarburante. Uno de los problemas del cultivo de algas radica en su característica de crecer en un medio líquido. En los pequeños recipientes de laboratorio la luz entra por todas partes, pero a gran escala con grandes columnas de vidrio utilizadas como biorreactores o en cultivos en superficie similares a los de las salinas o arrozales, el problema es que la mayor parte de la luz la reciben las algas que están en la superficie iluminada, dejando el resto del volumen desaprovechado, ya que las algas solo crecen en la delgada capa del líquido que recibe la luz. La mutación consiste en que cada cloroplasto de las algas mutantes dispone de 130 moléculas de clorofila en lugar de las alrededor de 600 que tie-

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nen los de las células normales. Las algas mutantes obtenidas tienen, por tanto, menos clorofila que las algas convencionales y aprovechan menos la luz solar de forma individual. No obstante, en el conjunto del cultivo, este tiene una menor densidad y permite que la capa de algas que aprovecha la luz sea más gruesa, y el resultado final es, paradójicamente, que el mayor número de algas en cultivo compensa, con creces, el menor crecimiento de cada alga individual. La producción de bioenergía a partir del cultivo de algas es una de las áreas de investigación más prometedoras actualmente, existiendo varios proyectos de investigación e incluso plantas piloto precomerciales en EE UU y en otros países. El potencial completo de los cultivos en el mar (la maricultura) ha sido reconocido recientemente. La “revolución azul” de la acuacultura y la maricultura está creciendo exponencialmente al grado de que la FAO reconoce que de los años cincuenta a la fecha la producción ha crecido sesenta veces hasta 60 millones de toneladas en 2004. Las algas, como todos los vegetales, necesitan para desarrollarse tres componentes esenciales: luz, anhídrido carbónico y agua. A través de la fotosíntesis convierten en energía química la que captan de la luz solar, utilizándola posteriormente para convertir sustancias inorgánicas en hidratos de carbono, ácidos grasos, proteínas y vitaminas, destacando en esta función las algas unicelulares. En sus membranas contienen lípidos y ácidos grasos, productos de reserva y metabolitos. Las especies con alto contenido en grasas son las que verdaderamente tienen interés en la búsqueda de una materia prima sostenible para la producción de biodiesel. Las macroalgas que se usan para los biocombustibles no requieren de suelo y crecen simplemente atándolas a cuerdas flotantes, y como ya tienen toda el agua que necesitan no se ven sujetas a los cambios de la disponibilidad de agua para riego como los cultivos en tierra firme. En cuanto a las microalgas, el futuro es más prometedor. Existen algas unicelulares capaces de producir más de 125.000 litros de biodiesel por hectárea cuando el producido en la misma superficie por un cultivo de girasol apenas llega a los 500 litros. Las microalgas son consideradas como los primeros microorganismos fotosintéticos y res-

ponsables en gran medida de la atmósfera terrestre. Sin bien existen muchas especies distintas, las de mayor interés acumulan en su interior importante cantidad de aceite liberando oxígeno a la atmósfera. Las microalgas se reproducen de forma asexuada, se dividen a sí mismas en dos células, crecen y se dividen otra vez. De la biomasa generada por las microalgas se puede extraer el aceite para fabricar biodiesel mediante transesterificación con metanol. Teóricamente las algas son la única fuente de energía renovable capaz de reemplazar en su totalidad al gasóleo fósil. No es difícil encontrar algas de crecimiento rápido. Sí lo es, en cambio, seleccionar aquellas especies capaces de proporcionar una alta producción de aceite, más del 50% sobre su materia seca, y que al mismo tiempo no se contaminen fácilmente con especies indeseables. Habitualmente las especies de mayor contenido graso no son precisamente las que se reproducen con mayor rapidez. Aunque no puede decirse que haya una especie de algas que sea la mejor en lo que a la obtención de biodiesel se refiere, sí puede afirmarse que las diatomeas y las algas verdes son las que resultan más prometedoras. En cualquier caso conviene seleccionarlas entre las especies locales teniendo siempre en cuenta el medio en el que se va a realizar su cultivo. La infraestructura más elemental para el cultivo de algas la constituyen las balsas, habitualmente construidas en forma de canal. Las algas, el agua y los nutrientes circulan a lo largo del canal en el que una rueda de paletas asegura su flujo, mientras las algas se mantienen en suspensión. Son de escasa profundidad, para que penetre hasta el fondo la luz del sol. Funcionan de forma continua, alimentándolas constantemente con nutrientes al mismo tiempo que el conjunto del agua con las algas se va desplazando hacia el extremo opuesto de la balsa. Al tratarse de explotaciones a cielo abierto existe el riesgo de contaminación por algas indeseables. Esta posible contaminación, unida a la dificultad para regular la temperatura, la iluminación y el aporte de CO2, hace que su capacidad de producción sea menor que la de otras estructuras de cultivo que requieren una inversión mayor. Por las mismas razones, se reduce bastante el número de especies cultivables en balsas.

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Un avance en la intensificación del cultivo consiste en cubrir las balsas con un invernadero, lo que supone una notable mejoría en el control de la temperatura del agua, del CO2 y de la iluminación, por lo que se puede ampliar considerablemente la lista de especies cultivables. Asimismo se reduce el riesgo de contaminación y se alarga el periodo de cultivo, especialmente si se cuenta con calefacción, con el consiguiente incremento de la producción. Finalmente se han desarrollado los denominados fotobiorreactores que permiten el cultivo en un sistema cerrado que, al mismo tiempo que dificulta

la contaminación de las algas, facilita el control de los distintos factores de producción. Existen varios tipos de fotobiorreactores según se construyan con tubos de plástico o de cristal, con tanques o con bolsas o sacas de plástico. Evidentemente los fotobiorreactores exigen una inversión más alta que las balsas pero su eficiencia y mayor productividad permiten una rápida amortización. Si se ubican en las proximidades de emisores de CO2 y se pone este gas a disposición de las algas se obtiene una productividad mayor al mismo tiempo que se mejora el medio ambiente.

La energía que contiene la biomasa es energía solar almacenada a través de la fotosíntesis, proceso por el cual algunos organismos vivos, como las plantas, utilizan la energía solar para convertir los compuestos inorgánicos que asimilan (como el CO2) en compuestos orgánicos. La Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR) utiliza la definición de la Especificación Técnica Europea CEN/TS 14588 para catalogar la “biomasa” como “todo material de origen biológico excluyendo aquellos que han sido englobados en formaciones geológicas sufriendo un proceso de mineralización”. Entre estos últimos estarían el carbón, el petróleo y el gas natural, cuya formación y composición hace millones de años no es comparable con lo que se denomina “el balance neutro de la biomasa” en las emisiones de dióxido de carbono (CO2). La combustión de biomasa no contribuye al aumento del efecto invernadero porque el carbono que se libera forma parte de la atmósfera actual (es el que absorben y liberan continuamente las plantas durante su crecimiento) y no del subsuelo, capturado en épocas remotas, precisamente como el gas o el petróleo. La producción primaria de la biosfera comprende la transformación de la energía lumínica del sol en energía química, por acción de organismos fotosintéticos. Estos organismos poseen la capacidad única de captar la radiación solar y, mediante procesos bioquímicos, utilizarla para sintetizar estructuras carbonadas que sirven de sustento para la vida. El proceso permite la acumulación de dichos compuestos en las estructuras celulares de estos

organismos, consiguiendo el crecimiento de complejas formas de vida, que representan la base de todas las demás cadenas tróficas que existen en el planeta. Los organismos fotosintéticos poseen esta cualidad, que no es compartida por otros organismos vivientes, y por lo tanto la producción primaria se transforma en la pieza clave de la existencia de las otras formas de vida en el planeta. La biomasa que se genera se aprovecha luego por otros organismos que la consumen y la transforman en una biomasa de carácter secundario, generando nuevas estructuras celulares, que son el resultado de transformaciones posteriores a la producción primaria de la biosfera. El ciclo del CO2 comienza con la fotosíntesis, un proceso complejo que tiene lugar en los organismos vegetales que poseen orgánulos, localizados en el interior de las células, llamados cloroplastos. El proceso permite reducir la molécula de CO2 y la transforma en azúcares, para lo cual la radiación solar eleva el potencial de los electrones, entregando la energía necesaria para la formación de las moléculas de azúcares y la liberación del O2 presente en el H2O. La ecuación global de la fotosíntesis es la que sigue: CO2 + H2O = (HC=OH) + O2 En la latitud de España, una hectárea de bosque capta 50 toneladas de CO2 al año, pero retorna a la atmósfera 45. Así que el balance neto es:

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1 hectárea de bosque fija 5 toneladas de CO2/año. Con todo, los bosques almacenan más CO2 que el que se halla en la atmósfera. 1 hectárea de bosque, en España, crea entre 12 m3 y 3,5 m3 de madera.

De acuerdo con la fórmula anterior, cada tonelada de CO2 fijada equivale a 681 kg de madera seca, o bien 1.238 kg a la humedad a la que se genera. En términos de volumen equivaldría a 1,5 m3 de madera. Siguen dos ejemplos para valorar qué representa la fijación de 5 toneladas de CO2/año por hectárea de bosque: un coche al recorrer unos 10.000 km/ año emite 1,3 toneladas de CO2/año, aspecto que se comentó en la Parte III, y una fábrica cerámica con una producción de 300 t/día de ladrillos emite unas 40 toneladas de CO2/día y por tanto, unas 13.000 toneladas de CO2/año. Para terminar de valorar estos datos indicar, por ejemplo, que la superficie de bosque en Cataluña ascendía a 1.930.481 ha, que corresponde al 61% de la superficie, según el inventario de 2004. El carbono fijado es la base para la composición de las estructuras celulares de animales y vegetales. El CO2 es liberado luego a través de la respiración celular que se da en todos los organismos vivos, por las emisiones que se producen en la combustión de biomasa y por la descomposición de los organismos muertos. La energía solar se utiliza para la ruptura de la molécula de agua (fotolisis del agua) y obtener el hidrógeno necesario que reduce la molécula de CO2. El proceso es, por supuesto, mucho más complejo de lo que describe la ecuación, siendo el azúcar el producto final de un ciclo en el que se van formando y transformando en compuestos intermedios. En la mayoría de los vegetales, el primer compuesto intermedio formado contiene tres átomos de carbono (vegetales C-3) pero existen casos donde el primer compuesto es de cuatro carbonos (plantas C-4), más eficientes en la producción ya que aprovechan mejor y más CO2 atmosférico. El rendimiento del proceso de la fotosíntesis es, desde el punto de vista energético, muy escaso. Su máximo teórico en cuanto al de cultivo (pues a escala celular, el máximo teórico es de un 30%) se sitúa alrededor del 6% de la energía solar incidente

sobre la superficie terrestre. El resto no se aprovecha, pues los cloroplastos no captan más que una pequeña porción del espectro de la radiación solar (la comprendida entre 400 y 780 nm de longitud de onda) y existen otras pérdidas por reflexión, transmisión al suelo y respiración de la propia planta. Este máximo teórico solo se alcanza en la práctica en casos excepcionales, en algunos cultivos tropicales. En las zonas templadas del planeta, el rendimiento no excede el 1-2%, a escala mundial el promedio no alcanza el 0,1%. Estas cifras justifican sobradamente la labor de investigación que actualmente se está fomentando en muchos países para tratar de mejorar el mecanismo fotosintético de los vegetales y aumentar, consiguientemente, su rendimiento. No obstante, a pesar del bajo rendimiento, la energía total que contiene la biomasa terrestre es de 1.750×1018 joules por año. Además, la biomasa almacenada contiene una energía de 27,6×1021 joules, casi equivalente a la de los combustibles fósiles conocidos, que se cifran en 25×1021 joules; por consiguiente, los recursos de biomasa, tanto la que se produce como la almacenada, son considerables, aunque casi toda la que se produce anualmente procede de los árboles (68,5%) y de las sabanas y praderas (16,2%), y solo el 7,8% de las tierras cultivadas. Sin embargo, hay que tener en cuenta que solo una pequeña porción de esta biomasa podría recogerse y aprovecharse como combustible; y además hay que tener en cuenta los diferentes usos: como carpintería y análogos, piensos para animales, humus para mejorar el suelo y la lucha contra la erosión. Para aprovechamiento de la parte utilizable es preciso aportar una cantidad de energía para su recolección, transporte y transformación útil, lo que reduce la energía neta resultante. Antes de la revolución industrial, los combustibles fósiles no estaban participando del ciclo del CO2 y, después de su descubrimiento y el desarrollo de tecnologías para su utilización masiva, han sido liberados en forma acelerada y por lo tanto han alterado el equilibrio natural, favoreciendo con ello el efecto invernadero. En Europa, el 54% de la energía primaria de origen renovable procede de esta fuente, sin embargo solo supone el 4% sobre el total energético. En concreto, según los datos del observatorio eu-


ropeo de las energías renovables, EurObserv’ER, en 2004 la producción de energía primaria debida a biomasa se cuantificó en 55.439 ktep. La mayoría se destinó a la generación de calor en viviendas unifamiliares, comunidades de vecinos y en redes de calefacción centralizada. En general, en torno al 83% se destina a usos térmicos y el 17% a la producción de electricidad. Francia, con 9.180 ktep encabeza la producción, seguida por los países escandinavos, que son considerados los auténticos líderes acorde con su número de habitantes ya que, por ejemplo, Finlandia cubre con biomasa el 50% de sus necesidades de calor y el 20% del consumo de energía primaria. El ritmo actual de crecimiento de la producción con biomasa hará imposible el cumplimiento de los objetivos establecidos en el Libro Blanco de la Energías Renovables de la Unión Europea, que los fija en 100.000 ktep para 2010. Según ese ritmo actual, en dicha fecha se alcanzarán solo 77.700 ktep. En 2004, la Comisión Europea emitió una comunicación dirigida al Consejo y al Parlamento Europeo en la que confirmaba que el desarrollo de tecnologías vinculadas a la biomasa sufría una mala coordinación de las políticas y un apoyo financiero insuficiente. Según la Comisión, solo Dinamarca, Finlandia y el Reino Unido experimentan una curva de crecimiento importante de esta fuente de energía. Sin embargo, concluía, en la mayor parte de los nuevos estados miembro existe un potencial importante de utilización de la biomasa para generar tanto electricidad como calor. El diagnóstico de EurObserv’ER apunta a que si los países más habitados del continente y con importantes recursos forestales, como Francia, Alemania, España e Italia, intensifican sus esfuerzos en esta materia se puede cumplir el objetivo. El Libro Blanco otorga a la biomasa la máxima responsabilidad en el incremento del peso de estas energías en el futuro desarrollo europeo. Si todas estas buenas intenciones se concretan, la contribución de la biomasa a finales del siglo XXI podría alcanzar la cuarta parte de la producción mundial de energía. Aunque la disponibilidad de biomasa es abundante en Europa, el suministro aún no está organizado en muchos casos, siendo necesario promover un verdadero mercado europeo de biomasa. Los

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biocombustibles sólidos pioneros en este mercado europeo proceden de industrias forestales locales o de los residuos producidos en los aprovechamientos y cuidados de las masas forestales. En algunos países como Austria, Dinamarca, Alemania y Suecia, este mercado ha crecido rápidamente en los últimos años. Además, la aparición de los pelets, con alta densidad energética que permite transportarlos grandes distancias, ha mejorado considerablemente la situación. En Suecia se produjeron 750.000 toneladas de pelets en el año 2001, mientras España solo alcanzaba las 60.000 toneladas. En España, los recursos potenciales de biomasa calculados en el Plan de Energías Renovables (PER) se sitúan en torno a los 19.000 ktep, de los cuales, más de 13.000 ktep corresponden a biomasa residual y casi 6.000 ktep a cultivos energéticos. En la actualidad, la biomasa alcanza el 45% de la producción con energías renovables en España, lo que equivale al 2,9% respecto del total de consumo de energía primaria, incluidas las convencionales. El PER, aprobado por el Gobierno español en agosto de 2005, plantea una serie de soluciones a los problemas que han impedido el desarrollo de la biomasa, con los peores números de cumplimiento del antiguo Plan de Fomento de las Energías Renovables (PFER) de 1999. En la actualidad, las 4.167 ktep de consumo de 2004 son ligeramente superiores a las 4.122 ktep de 2003, pero teniendo en cuenta que durante el periodo 1999-2004 el incremento fue de 538 ktep, resulta imposible que en 2010 se alcance el objetivo establecido de las 6.000 ktep de crecimiento, repartidas en 5.100 ktep para aplicaciones eléctricas (el incremento ha sido solo de 469 ktep) y 900 ktep para térmicas (incremento de solo 69 ktep). Estas últimas son las que dominan en la actualidad gracias a las 2.056 ktep que aporta el sector doméstico, vinculado a sistemas de calefacción y a la generación de agua caliente sanitaria. En el cómputo global del consumo, además del sector doméstico, destacan las industrias de pasta de papel; las de madera, muebles y corcho; y las de alimentación, bebidas y tabaco, que suman el 90% del total. Igualmente, tanto en aplicaciones eléctricas como térmicas, los recursos más utilizados son los residuos procedentes de industrias forestales y agrícolas. El escaso aprovechamiento de los re-

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siduos agrícolas y de los cultivos energéticos ha motivado los malos resultados de la utilización de la biomasa en general. Andalucía, Galicia y Castilla y León son las comunidades autónomas que registran un mayor consumo debido principalmente a la presencia en ellas de empresas que utilizan grandes cantidades de biomasa (por ejemplo, del sector de la celulosa), a la existencia de un sector forestal desarrollado y a la diseminación de la población que facilita el uso de la biomasa doméstica. El PER toma como punto de partida el año 2004 y marca un nuevo crecimiento hasta 2010 de 5.040,3 ktep, de las que

4.457,8 ktep serían para aplicaciones eléctricas y 582,5 ktep térmicas. En el parque eléctrico, se pretende incrementar la potencia actual (344 MW instalados) en 1.695 MW. Como novedad, una parte importante del reparto de potencia se adjudica a la co-combustión (introducción de dos combustibles distintos en la caldera de una central para producción de energía, que en España se enfoca principalmente al uso de biomasa y carbón en centrales térmicas convencionales), una de las muchas innovaciones tecnológicas, logísticas y económicas que el PER quiere impulsar para la consolidación definitiva de la biomasa.

Tipos de biomasa Si bien la biomasa representa solo una pequeña parte en la masa total de la tierra, su importancia es vital, ya que es el gran reservorio de energía para que la vida se sustente en el planeta, a pesar de que solo aprovecha una fracción de la energía que es entregada por el sol, y fijada por los organismos fotosintetizadores. La alteración de dicho ciclo influye directamente en la existencia de la vida sobre la tierra, ya que permite el suministro de oxígeno a la atmósfera y a todos los organismos que requieren de él para su existencia. Los diferentes tipos de biomasa pueden clasificarse en:

— Cultivos energéticos: • Especies leñosas en turnos de 3-4 años y con 280 m3/ha. Populus, etc. • Especies herbáceas. Miscanthus, Cynara, etc. • Cultivos para producir etanol (trigo, maíz, patata, sorgo azucarero, etc). • Cultivos para producir biodiesel (colza, girasol, lino oleaginoso, etc). — Excedentes agrícolas:

— Natural: producida en ecosistemas naturales. — Residual: de la que forman parte:

Sirven para completar los cultivos no alimentarios y sustituir parcialmente los biocarburantes y los combustibles fósiles (aceite de algodón, aceite de soja, aceite de cártamo, etc.) en su caso.

• Residuos forestales: comprende los residuos de tratamientos silvícolas y de cortes de pies maderables. • Residuos agrícolas: incluye los restos de podas, rastrojos de cultivos, etc. • Residuos de industrias forestales: representa los aserraderos, fábricas de pasta y papel, etc. • Residuos de industrias agrícolas: comprende los bagazos, orujos, cáscaras, vinazas, huesos, etc. • Residuos biodegradables: se refiere a los purines, estiércoles, fangos de depuradoras, domiciliarios, mataderos, harinas cárnicas, sebos, etc.

Para tener una idea de magnitud de las cifras que ello representa, tan solo la biomasa residual, en España, se calcula en 13 kg por habitante y día. La utilización de la biomasa como vector energético implica un análisis detallado de la disponibilidad y distribución de los recursos. El abastecimiento de una biomasa (renovable) disponible con fines energéticos posee dos soluciones principales: la biomasa de origen residual y los cultivos energéticos. La biomasa posee una serie de aplicaciones desde el punto de vista energético y de su utilización como materias primas para el sector industrial, especialmente en las industrias químicas. En

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Figura 43.1. Aplicaciones generales de la biomasa.

términos generales esto se puede observar en el diagrama de la Figura 43.1. La biomasa producida posee en general, a excepción de los cultivos energéticos, un uso primario asociado a los consumidores finales, ya sea como alimento o bien materias primas para producir papel o productos químicos.

Solo una parte de la radiación que emite el Sol es utilizada por el proceso fotosintético. En términos generales la eficiencia no alcanza el 0,1%, con lo cual en la biosfera la biomasa producida anualmente es aproximadamente 1,7 x 1014 kg, equivalente a unos 68.000 millones de toneladas de petróleo equivalentes (68 · 109 tep, o bien 748 · 109

Tabla 43.1. Producción primaria neta de los principales ecosistemas (Fuente: Field et al 1998). Producción primaria neta biosfera (pentagramos de carbono = 1015 gramos) Océano

Tierra

Oligotrófico

11,0

Bosques tropicales lluviosos

17,8

Mesotrófico

27,4

Bosques deciduos de hoja ancha

1,5

Eutrófico

9,1

Bosques mixtos

3,1

Macrófito

1,0

Bosques siempreverdes de hoja acidulada

3,1

Bosques deciduos de hoja acidulada

1,4

Sabanas

16,8

Pastizales perennes

2,4

Arbustos de hoja ancha con suelo desnudo

1,0

Tundra

0,8

Desierto

0,5

Cultivos

8,0

Total

56,4

Total

48,5

750


MWh). El rendimiento de la fotosíntesis a escala individual, por ejemplo en un campo de cultivo, es mucho mayor. La Tabla 43.1 muestra claramente la importancia de los bosques como productores de biomasa y fijadores de CO2 en el ciclo del carbono. Suponiendo un uso energético de ella, permitiría suplir los requerimientos de una buena parte de los países del mundo, estimándose que en el año 2050 un 15% de los requerimientos energéticos mundiales pueden cubrirse a partir del aprovechamiento energético de la biomasa. La biomasa a que hace referencia la Tabla 43.1: 104,9 pentagramos, equivale a 1,04·1014 kg (año 1998), muy en línea con los 1,7·1014 kg del año 2004. Los residuos de biomasa pueden utilizarse, básicamente para las siguientes cinco labores: • • • • •

Fertilización de suelos. Sustrato productivo. Alimentación humana. Alimentación ganadera. Producción de energía.

Las primeras dos opciones permiten el empleo indistinto de biomasa de origen agrícola o forestal, al igual que el aprovechamiento energético. La alimentación humana y ganadera por otra parte se refiere únicamente al uso de los residuos generados por la agroindustria y puede considerarse para varios tipos de residuos de origen agrícola. Desde tiempos remotos los animales domésticos han sido alimentados con restos de frutas y verduras, y de la misma manera estos residuos pueden ser procesados para su uso e incorporación en alimentos destinados a consumo humano. La fertilización de suelos comprende la utilización de biomasa residual para mejorar la calidad de taludes, terrenos pobres y erosionados, incorporando una mezcla que previamente puede compostarse para mejorar la calidad de los nutrientes entregados. La utilización de la biomasa como sustrato productivo comprende la incorporación de biomasa residual como base en la producción de setas, lombrices o levaduras. Finalmente, la producción de energía es una alternativa que surge con mucha fuerza ya que proporciona importantes beneficios dado el carácter renovable de la biomasa. Para ello existen diversas

técnicas y equipos que permiten la obtención de energía para diferentes usos y aplicaciones, siendo la más versátil de ellas la generación de electricidad.

ORIGEN Y FUENTES DE BIOMASA Las fuentes de biomasa pueden clasificarse en dos grandes grupos: las de origen animal y las de origen vegetal, cada una de las cuales puede considerar otros subgrupos. Esto, en términos globales, permite agrupar los residuos biomásicos en las siguientes cuatro categorías: • • • •

Residuos agrícolas de cultivos e industrias agroindustriales. Residuos de explotaciones ganaderas. Residuos de biomasa presentes en los residuos sólidos urbanos (RSU) y asimilables. Residuos forestales, provenientes de actividades selvícolas e industrias transformadoras de madera.

La sumatoria de dichos residuos equivaldría a la disponibilidad total de biomasa utilizable para las actividades descritas, a lo cual es necesario sumar, cuando se considera el uso energético de la biomasa, todos aquellos cultivos que han sido diseñados con fines exclusivos para su aprovechamiento a través de su transformación energética. La heterogeneidad de recursos aprovechables es una característica intrínseca de los sistemas de producción de energía asociados a la biomasa. Ello aumenta su complejidad ya que cada proyecto necesita análisis específico de disponibilidad, extracción, transporte y distribución. De hecho, la forma de extraer y utilizar como combustible los restos de una actividad forestal es distinta al uso de los residuos de una industria forestal o al aprovechamiento energético de la cáscara de almendra o del alperujo generado al producir aceite de oliva. En España, los principales desarrollos en el área de biomasa se han centrado en el uso de residuos industriales, tanto forestales como agrícolas. Respecto a la biomasa forestal, ha sido utilizada tradicionalmente en el sector doméstico mediante sistemas poco eficientes, algo que está cambiando debido a la llegada al mercado de sistemas de calefacción y agua caliente modernos, de alta eficiencia y comodidad para el usuario.


COMPOSICIÓN GENERAL DE LA BIOMASA La biomasa posee una composición típica desde el punto de vista cualitativo, pero no cuantitativo ya que la proporción de sus componentes varía dependiendo de los múltiples orígenes, (Figura 43.2), así como de cada especie vegetal o animal y de los procesos por los cuales ha sido generada. La biomasa vegetal está compuesta principalmente de hidratos de carbono, en forma de compuestos lignocelulósicos o amiláceos, y en menor proporción prótidos, lípidos y compuestos orgánicos nitrogenados. Su composición varía debido a que las estructuras que forman la biomasa no son homogéneas en todos los órganos y por lo tanto dependen de la proporción de ellos en cada especie definiendo composiciones diferentes en cada caso. Por ejemplo, las semillas de leguminosas son muy ricas en proteínas, o las semillas de oleaginosas poseen un alto contenido de lípidos, por lo que no es posible facilitar un valor exacto de su composición. Desde el punto de vista energético, aquella biomasa de estructura más sólida (madera) permite aplicaciones termoquímicas, y la de estructura poco sólida (como los cultivos agrícolas anuales) mayor variedad de aplicaciones, como la hidrólisis, cada una de las cuales se detallará en los apartados posteriores.

751

La composición específica de la biomasa permite, en los mercados internacionales, establecer los valores a los cuales se transaccionan productos derivados de la biomasa. Según esto existe una correlación que establece que los productos de mayor producción, como son la celulosa, denominados commodities en terminología inglesa, son los de menor precio, por otra parte los productos químicos derivados de la biomasa que agrupan una gran cantidad de productos, con menores volúmenes generados y un mayor precio, para finalmente encontrar productos utilizados en la industria farmacéutica, que representan los de mayor precio. La biomasa es un gran depósito de energía. Fue el primer combustible usado intensivamente hasta el inicio de la revolución industrial y continúa siendo además el principal recurso energético para millones de personas en el mundo. Surge así el concepto de biocombustibles, que se refiere a la fracción de biomasa susceptible de ser utilizada energéticamente, que pueden provenir tanto de residuos de procesos industriales, de la recogida selectiva de residuos municipales, de restos de actividades agrícolas, forestales o ganaderas como también de cultivos especialmente pensados con fines energéticos. Desde el punto de vista energético usualmente se utiliza la biomasa residual generada en la etapa

Figura 43.2. Generación de la biomasa.

752


Figura 43.3. Procesos generales de generación y aprovechamiento de la biomasa.

de cultivo, o bien los residuos producidos tras el aprovechamiento por parte de los consumidores, como por ejemplo, la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos y en la etapa de transformación de la biomasa, especialmente dado por la fracción no utilizada comercialmente, como por ejemplo, la corteza de los árboles. Lo anterior se complementa con la biomasa proveniente de cultivos energéticos que, por lo tanto, directamente pasan a contabilizarse dentro de la biomasa disponible para fines energéticos. El desarrollo de otras aplicaciones energéticas de la biomasa, complementarias a la tradicional combustión directa utilizada desde tiempos remotos, ha permitido el surgimiento del concepto bioenergía, que se ha definido como la utilización intensiva, a través del desarrollo de procesos industriales, de biomasa para la generación de energía, considerando en ello su aprovechamiento directo

o bien mediante la transformación y obtención de los denominados biocombustibles. En los últimos años la generación de carburantes a partir de productos lignocelulósicos, los denominados carburantes de segunda generación, ha permitido dar un salto cualitativo a la bioenergía. Esquemáticamente las fuentes de biomasa y los procesos generales que la generan, enfocados a un aprovechamiento como fuente de energía, pueden observarse en el diagrama de la Figura 43.3. Cada una de las fuentes produce diferentes tipos de biomasa que, de acuerdo a sus características, permiten su uso en diversas aplicaciones. Es posible clasificarlas como sigue: •

Biomasa de alto grado. La biomasa de este tipo se caracteriza por su alta homogeneidad, lo que la hace especialmente adecuada para su uso energético. Proviene de cultivos energéticos, bosques y plantaciones.


•

•

•

Biomasa residual. La biomasa residual puede ser químicamente homogénea y/o heterogénea, proviene de residuos agrícolas, forestales y de procesos industriales, donde en cada caso puede estar compuesta por una o varias especies diferentes, lo cual determina sus características químicas. Biomasa de origen urbano. Los residuos sólidos urbanos (RSU) poseen aproximadamente 50% de peso húmedo de biomasa, siendo esencialmente heterogénea ya que proviene de diversas fuentes y ha sido sometida a diversos procesos. Además, existe un contenido de madera, que puede provenir de materiales de construcción y embalajes. Fangos. Es esencialmente de origen heterogéneo, ya que se obtienen principalmente de las plantas de tratamiento de aguas residuales, plantas industriales de procesamiento de ganado y agroindustrias.

Para dar una idea de la magnitud de las cifras, en España, la generación de residuos orgánicos considerados como biomasa, teóricamente valorizable, se muestra en la Tabla 43.2. Tabla 43.2. Generación de biomasa residual en España (Fuente: X. Elias. Reciclaje de residuos industriales). Origen de biomasa residual

Mt/año

Residuos sólidos urbanos

24,0

Fangos de EDAR

8,5

Residuos forestales

18,0

Residuos agrícolas

35,0

Residuos ganaderos (cría y matadero)

85,0

Total

170,5

Estas cifras son tan importantes que, si se valorizaran con la tecnología disponible en la actualidad, se dispondría de una potencia eléctrica de 6 GW (es decir, el equivalente a seis centrales nucleares convencionales). En la actualidad varios países del mundo llevan a cabo extensos programas para el desarrollo de biocombustibles a partir de cultivos energéticos, con excelentes resultados en su aplicación, llegando a sustituir parte importante del consumo de hidrocarburos para la locomoción. Un ejemplo

753

importante de ello es Brasil, donde en la década de los años 70, debido principalmente a la crisis del petróleo del año 1974, se estableció el mayor programa de utilización de biomasa, a partir de caña de azúcar, para la producción de alcohol que se utiliza como combustible de motores de combustión. Este programa ha tenido mucho éxito, ya que por un lado disminuye la importación de petróleo, y por lo tanto las emisiones a la atmósfera asociadas, y es una importante fuente de empleos en sectores más pobres de la sociedad ya que en la actualidad cerca de un millón de puestos de trabajo se asocian directamente a este mercado. Según estimaciones efectuadas por el programa PROALCOOL de Brasil, durante los primeros 25 años de funcionamiento del programa, se ha dejado de importar petróleo por un monto de 40.000 millones de dólares, alcanzando una producción anual de 15.000 millones de litros de etanol en 2004. La mayoría de los vehículos hoy en día funcionan con una mezcla donde se incorpora un 20% de etanol en la gasolina, pudiendo alcanzar proporciones del 26%. También es preciso recordar que en el sudeste de Brasil se dan las condiciones agronómicas idóneas y terreno abundante para el cultivo de la caña de azúcar. Otro importante productor mundial de etanol es EE UU, que, a partir principalmente del maíz, ha conseguido producir más de 13.000 millones de litros anuales (2004) de biocombustibles. Esta producción es sensiblemente diferente a la anterior ya que el balance energético biomasa-etanol es claramente favorable a la caña de azúcar o, en otras palabras, la producción de etanol a partir de maíz arroja un balance energético global negativo. Un resumen de diferentes fuentes de biomasa que pueden utilizarse con fines energéticos se presenta en la Tabla 43.3. Las oportunidades de valorización de la biomasa residual y la proveniente de cultivos energéticos dependen principalmente de las características físicas y la composición química específica de cada tipo de biomasa. Si se efectúa una clasificación de la biomasa en términos de las posibilidades de valorización, es posible identificar tres grupos que agrupan la biomasa según características físicas en homogénea, no homogénea y heterogénea. La elección de la alternativa que permita opti-

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Tabla 43.3. Fuentes de producción de diferentes biocombustibles (adaptada de la propuesta por el Instituto de Diversificación y Ahorro Energético de España, IDAE). Recurso Residuos forestales

Residuos Ramas, restos de podas y de cosechas, copas de árboles. Restos de cultivos leñosos, ramas.

Residuos agrícolas

Restos de cultivos herbáceos industriales, tallos y plantas verdes. Pastos y restos de cereales.

Residuos de la industria forestal Residuos de industrias agrícolas y agroalimentarias

Aserrín, virutas, cortezas y restos de maderas. Residuos de la industria de la celulosa y papel, licor negro, fangos de depuradoras. Cáscaras, cuescos, semillas, hollejos, fangos de plantas depuradoras. Residuos de la industria ganadera, purines, estiércol.

Residuos biodegradables

Residuos de animales muertos, sangre, pieles. Fangos de la depuración de aguas urbanas e industriales.

Cultivos energéticos y excedentes agrícolas

Cultivos energéticos y residuos de otros cultivos.

mizar la transformación de los residuos de biomasa en una fuente de energía, bioenergía, requiere del análisis de parámetros específicos a cada situación. Para ello una caracterización detallada desde el punto de vista físico y químico es primordial a la hora de definir la estrategia a emplear.

CARACTERIZACIÓN DE LA BIOMASA Hay varios aspectos a considerar cuando se plantea un aprovechamiento energético de la biomasa. En primer lugar, se debe determinar una caracterización detallada de las características físicas y químicas del biocombustible que se quiere utilizar, como su estado, densidad, humedad y composición química. Para esto la existencia de normas internacionales permiten una evaluación clara y homologable que determinan los parámetros para efectuar dichas pruebas. Luego hay que determinar la capacidad energética del combustible y así poder establecer otros parámetros: •

•

• • •

Poder calorífico, que se define como la cantidad de energía que desprende 1 kg de combustible. Cantidad de aire necesario para lograr la combustión completa de esta unidad de combustible. Eficacia del proceso de combustión. Temperatura del proceso de combustión. Cantidad de gases producidos durante del proceso de combustión.

Uno de los aspectos más importantes de los anteriormente nombrados es la determinación del poder calorífico, ya que permite estudiar las posibilidades de aplicación de la biomasa como combustible. Generalmente este parámetro se expresa en kcal/kg o kWh/kg de combustible, ya sea líquido o sólido. Parte de esta energía liberada es absorbida por el agua generada en la combustión debido a la presencia de hidrógeno en el combustible y evaporada en forma de vapor de agua. Se definen de esta manera el poder calorífico superior (PCS) como la cantidad de calor desprendida por unidad de masa de combustible anhidro, se mide por medio de una bomba calorimétrica, donde se enfrían o condensan los productos de la combustión, y el poder calorífico inferior (PCI) como la cantidad de calor desprendido por unidad de combustible anhidro, sin enfriar o condensar los productos de la combustión, con lo que se pierde el calor contenido en el vapor de agua. Corresponde así al PCS menos el calor latente de la vaporización del agua que es arrastrada por los gases de la combustión. El PCI de un combustible siempre se refiere al material seco. La Tabla 43.4 muestra los poderes caloríficos de diversos combustibles. En las aplicaciones industriales, solo tiene sentido hablar del PCI, ya que los gases de combustión se emiten a la atmósfera a una temperatura superior a la de condensación del vapor de agua y, por lo tanto, no se aprovecha el calor latente del vapor.

Biomasa y bioenergía Tabla 43.4. Poderes caloríficos de diversos combustibles. Combustible

PCS (kcal/kg)

PCI (kcal/kg)

Biomasa de cardo seca

3.899

3.608

Biomasa de chopo seca

4.704

4.392

Madera de pino 15% humedad

4.800 – 5.000

4.500 – 4.700

Carbón vegetal

7.500 – 8.300

7.200 – 8.000

Astilla de eucalipto

4.800

4.500

Madera de fresno y encina

4.700

4.300

Fuel-oil

10.150

9.450

Gasolina

11.200

10.500

Etanol de 96 (4% agua en volumen)

6.740

6.420

Metano

12.738

11.950

Propano

12.900

11.080

Butano (gas)

11.800

10.932

Un concepto importante es la noción de PCI útil (PCIu), y equivale al PCI del combustible menos el calor latente de evaporación del agua de humedad. Así, tomando un ejemplo de la Tabla 43.4, el PCIu de madera de chopo con un 25% de humedad será: PCIu = 4.392 · 0,75 – 600 · 0,25 = 3.144 (Kcal/Kg) En un laboratorio de análisis, las pruebas a realizar para determinar las cualidades de la biomasa consisten en: — Humedad: se mide el contenido de agua de la muestra. El resultado en porcentaje de agua sobre base húmeda (producto inicial). — Densidad: la densidad indica el grado de compactación de la biomasa. Está se puede estimar en las materias primas y en el producto final densificado. Hay dos tipos de densidad: • Densidad aparente (la que interesa a efectos prácticos). • Densidad real. — Granulometría: la clasificación por tamaños de las partículas puede resultar interesante desde el punto de vista de la eliminación de las fracciones indeseables; o bien, desde la

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perspectiva de aprovechamiento diferencial de las distintas fracciones granulométricas presentes. — Análisis inmediato: se calienta la muestra sin oxígeno y en presencia de oxígeno con el objeto de conocer: • Volátiles: monómeros, fragmentos de hemicelulosa, celulosa y polímeros de lignina. • Cenizas: son la parte inorgánica de la biomasa, pueden fundir en la caldera provocando serios daños. • Carbono fijo por diferencia en porcentaje que se obtiene el carbono fijo que hay en la muestra. — Friabilidad (resistencia al golpeteo): medida de la resistencia de las briquetas a la acción mecánica. — Poder calorífico: una masa conocida de biomasa se quema en atmósfera de oxígeno en una bomba calorimétrica en condiciones normalizadas. — Microanálisis: contenido total de carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre (C, H, N, S) presente en un amplio rango de muestras orgánicas e inorgánicas. — Macroanálisis: contenido total de carbono y nitrógeno, así como la determinación de carbono inorgánico mediante generación de CO2 por ataque ácido. Algunas ventajas del uso energético de la biomasa se resumen en: — La biomasa es una fuente renovable de energía y su uso no contribuye al calentamiento global. De hecho, produce una reducción de los niveles atmosféricos del dióxido de carbono, al actuar como recipiente y el carbón del suelo puede aumentar. — Los combustibles de biomasa tienen un contenido insignificante de azufre y por lo tanto no contribuyen a las emisiones de dióxido de azufre que causan la lluvia ácida. La combustión de la biomasa produce generalmente menos ceniza que la combustión del carbón, y la ceniza producida se puede utilizar como complemento del suelo. — La conversión de residuos agrícolas, de la silvicultura, y la basura sólida municipal

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para la producción energética es un uso eficaz de los residuos que a su vez reduce significativamente el problema de la disposición de residuos, particularmente en áreas municipales. — La biomasa es un recurso doméstico, que no está afectado por fluctuaciones de precio de alcance mundial o por las incertidumbres producidas por las fuentes de combustibles importados. En países en vías de desarrollo en particular, el uso de biocombustibles líquidos, tales como biodiesel y etanol, reduce las presiones económicas causadas por la importación de productos de petróleo. — Los cultivos perennes para energía tienen consecuencias para el medio ambiente más bajas que los cultivos agrícolas convencionales. De la misma manera, algunas restricciones en el uso de la biomasa son: — Por su naturaleza la biomasa tiene relativamente baja densidad de energía y su transporte aumenta los costes y reduce la producción energética neta. La densidad a granel es baja (son necesarios grandes volúmenes en comparación con los combustibles fósiles), hace del transporte y su administración difíciles y costosos. La clave para superar este inconveniente está en localizar el proceso de conversión de energía cerca de una fuente concentrada de biomasa, tal como una serrería, un ingenio de azúcar o un molino de pulpa. — La combustión incompleta de la leña produce partículas de materia orgánica, del monóxido de carbono y otros gases orgánicos. Si se utiliza la combustión a alta temperatura, se producen los óxidos del nitrógeno. En una escala doméstica más pequeña, el impacto en la salud de la contaminación atmosférica

dentro de edificios es un problema significativo en los países en vías de desarrollo, en donde la leña se quema ineficazmente en fuegos abiertos para cocinar y en la calefacción de ambientes. — Existe la posibilidad de que el uso extensivo de bosques naturales cause la tala de árboles y escasez localizada de leña, con ramificaciones ecológicas y sociales serias. Esto está ocurriendo actualmente en Nepal, partes de la India, Sudamérica y en África subsahariana. La conversión de bosques en tierras agrícolas y áreas urbanas es una importante causa de la tala de árboles. Además, en muchos países asiáticos gran parte del combustible de la madera usado con propósitos de energía provienen de áreas indígenas boscosas. — Hay un conflicto potencial por el uso de los recursos de la tierra y del agua para la producción de energía de biomasa y otras aplicaciones, tales como producción de alimentos y de fibras. Sin embargo, el uso de técnicas modernas de producción agrícola representa que hay suficiente tierra disponible para todas las aplicaciones, incluso en regiones densamente pobladas, como Europa. — La producción y el proceso de la biomasa pueden implicar un consumo de energía significativa, tales como combustible para los vehículos y los fertilizantes agrícolas, dando por resultado un balance energético reducido para el uso de la biomasa. — A menudo existen restricciones políticas e institucionales al uso de biomasa, tales como políticas energéticas, impuestos y subsidios que animan el uso de combustibles fósiles. Los costos de la energía no reflejan a menudo las ventajas ambientales de la biomasa o de otros recursos energéticos renovables.

Cultivos energéticos Los cultivos energéticos se definen como aquellos que han sido planificados específicamente para la obtención de energía a partir de la biomasa que es cultivada. Estos cultivos pueden proceder de especies herbáceas, arbustivas o forestales, y la biomasa producida puede utilizarse como ma-

teria prima de diversos procesos de valorización. Las aplicaciones energéticas más comunes de este tipo de cultivos son la producción biocombustibles líquidos a partir de cereales y oleaginosas, y el establecimiento de cultivos de especies leñosas de rápido crecimiento, para la obtención de bio-


combustibles sólidos y combustibles de segunda generación. Los cultivos energéticos permiten que la Unión Europea sea menos dependiente energéticamente de los combustibles fósiles, y que los agricultores tengan una nueva fuente de ingresos y empleo tras la reforma de la política agrícola común (PAC). En este sentido, Bruselas ofrece subvenciones de 45 euros por hectárea al agricultor que dedique sus tierras a este nuevo sector agroenergético. En España, la superficie de cultivos energéticos se ha multiplicado por ocho en la campaña 20062007, con un total de 223.467 hectáreas, según el Fondo Español de Garantía Agraria (FEGA). La Asociación de Productores de Energías Renovables (APPA) afirma que el cardo, sorgo y colza etíope, con algunos casos de chopo y eucalipto, son los cultivos más utilizados, y que Castilla-León, Castilla-La Mancha, Andalucía y Aragón disponen del 80% del potencial del país. Los cultivos energéticos son una oportunidad de negocio en España, tanto por el potencial de consumidores como por la materia prima disponible. Repsol YPF y Acciona, por un lado, y el grupo Santander e Isolux, por el otro, se han unido recientemente para construir sendas plantas de producción de biodiesel, con inversiones iniciales que rondan los 300 millones de euros en cada caso. Por su parte, el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) presentaba en 2008 un proyecto en el que se detalla cuáles son los mejores cultivos para cada región española y las condiciones para multiplicar este recurso, reduciendo a la mitad su coste actual y posibilitando su implantación comercial antes de 2012. El cultivo y la manipulación han de ser compatibles con las características de la zona de producción; no deben requerir para su cultivo maquinaria ni útiles diferentes a los de los cultivos tradicionales (en especial el consumo de agua); ser especies perennes y vivaces, con capacidad rebrotadora; presentar una alta resistencia soportando con mínimos cuidados la competencia de malas hierbas y el ataque de plagas, poseer una alta eficiencia fotosintética y un ciclo vegetativo lo más corto posible. La producción de cultivos energéticos en España debe intentar maximizarse en paralelo a la con-

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secución de los objetivos recogidos en el Plan de Energías Renovables 2005-2010 (PER). En el caso concreto de los biocarburantes, el PER aspira a que cubran el 5,83% del mercado de carburantes en el año 2010. Para ello, se estima que podrían llegar a cultivarse en España algo más de 1,3 millones de hectáreas, de las que el 30% se destinaría a cultivos de colza para hacer biodiesel y el resto, básicamente, a cereales para la industria del bioetanol. El PER, dentro de sus propuestas de I+D, incluye el desarrollo de un Programa de Promoción de los Cultivos Energéticos, que supone la selección y mejora de especies, además del desarrollo de técnicas para el aprovechamiento de material lignocelulósico para la producción de biocarburantes. Sin embargo, cabe resaltar lo que significa introducir estos cultivos agroenergéticos desde el punto de vista de requerimientos de suelos, agua de regadío y costos de materia prima. Algunos de estos cultivos no llegan a alcanzar un balance energético positivo y aún no se ha ahondado en un estudio de impactos y riesgos ambientales. La puesta en marcha de estos cultivos de forma intensiva podría traer consigo efectos negativos, tanto para el suelo como para las aguas subterráneas y superficiales, debido a que se deben implementar sistemas de fumigación intensiva y el abonado de la tierra debe ser mayor para compensar la necesidad de micronutrientes por parte de las plantas. De igual manera, no se ha profundizado en calcular cuáles y cuántas serán las emisiones a la atmósfera, cuando se inicie la siembra y explotación de estos cultivos; se supone que la introducción de los biocarburantes en la automoción disminuye los gases de efecto invernadero y también las emisiones de CO2, pero no se describe nada al respecto de las emisiones en la producción de estos cultivos energéticos y de la transformación a los biocombustibles correspondientes. Aunque no se contemple en un principio, el uso de cultivos de regadío como el maíz, cabe mencionar algunas cifras que serían de gran importancia en la implantación de este cultivo desde el punto de vista de necesidad de agua, lo que se traduce en cantidad y precio de este recurso, con lo cual no se estimaría probable la puesta en marcha de este cultivo con intereses agroenergéticos para alcanzar los objetivos previstos para 2010 en el PER.

758


Debido a que la producción de bioetanol, se basa en España en los cultivos de cereales, al igual que en EE UU, que es el líder mundial en la producción de maíz y colíder en la producción de bioetanol después de Brasil, se debe revisar el tema porque son condiciones ambientales y climáticas completamente diferentes. En España la escasez de agua es un tema que requiere un atento estudio antes de tomar cualquier decisión al respecto. Estos cultivos, a diferencia de los agrícolas tradicionales, tienen como principales características su gran productividad (generalmente superior a las 12 toneladas de materia seca por hectárea y año) de biomasa y su elevada rusticidad, expresada en términos tales como resistencia a las enfermedades y a la sequía, vigor y precocidad de crecimiento y capacidad de rebrote y de adaptación a terrenos marginales. Una condición imprescindible para la viabilidad de este tipo de cultivos es la necesidad de que el balance energético de todo el proceso productivo sea positivo, es decir, que se produzcan más calorías de las que se han consumido en su obtención. El sector agrario de los países desarrollados está atravesando en estos momentos una profunda crisis a causa de los aumentos constantes en la tasa de producción de alimentos, lo que ha motivado la generación de un gran número de excedentes. Esta situación ha motivado la adopción de políticas drásticas de reducción en la producción de alimentos con el objetivo de equilibrar la oferta y la demanda agroalimentaria. Este proceso es lo que se conoce por el apelativo genérico de Reforma de la Política Agrícola Común (PAC), mediante subvenciones a los agricultores que dejan sin cultivar una parte de su superficie agrícola. Estas tierras retiradas de la producción de alimentos pueden quedar en barbecho o pueden destinarse a producciones no alimentarias sin perder en este caso el derecho a la subvención. Atendiendo a su origen, los cultivos de interés agroenergético están integrados por especies leñosas y herbáceas entre las cuales se incluyen especies cultivadas en la agricultura tradicional, como el trigo, maíz y caña de azúcar, y otras no convencionales.

CULTIVOS PARA BIOACEITES La obtención de aceites vegetales, y su posterior transformación en biodiesel a través del pro-

ceso de esterificación, se lleva a cabo a partir del cultivo de especies oleaginosas, específicamente el aceite contenido en semillas, que es extraído por medio del fraccionamiento y prensado de estas semillas. Su contenido energético es elevado y puede quemarse directamente en motores de combustión, pero esto puede significar problemas en el proceso, lo que justifica su transformación en biodiesel. Los principales cultivos utilizados para la obtención de aceites vegetales y la producción de biodiesel son las semillas de girasol, colza y soja. El biodiesel es mezclado luego con diesel, en una proporción, aproximada, del 5% (de hecho existen diversas mezclas y hay automóviles que funcionan con el 100% de biodiesel). La escasez de biodiesel ha impulsado la política de mezclas, sustituyendo parte importante del petróleo consumido en la automoción. La extracción de aceites contenidos en las semillas de los cultivos de oleaginosas posee rendimientos menores a otros cultivos agrícolas, ya que las semillas representan en promedio cerca de un 30% de la biomasa total del cultivo. Considerando que por término medio las semillas contienen alrededor del 40% de peso en aceite, y la transformación en biodiesel posee una eficiencia del 97%, la productividad final de un cultivo como la colza ronda los 1.300 litros de biodiesel por hectárea. Los promedios de productividad de los principales cultivos se presentan en la Tabla 43.5. Tabla 43.5. Productividad de cultivos energéticos para producción de biodiesel. Productividad del cultivo (t/ha)

Rendimiento en biodiesel (l/ha - año)

Colza

3,3

1.300

Girasol

1,9

950

Cultivo

Soja

3,1

446

Olivos

1,0

1.200

Otra fuente importante de aceites vegetales para la producción de biodiesel son aquellos provenientes de la recolección de los aceites utilizados de manera doméstica. En el Reino Unido se producen anualmente alrededor de 100.000 toneladas de aceites de cocina residuales, los cuales son posibles de convertir en biodiesel con una eficiencia cercana al 97%. Recientes investigaciones aconsejan no volver a emplear aceite vegetal una vez

759


ha sido usado. Por ello se promueve su reciclaje en forma de biodiesel. Por otra parte es importante señalar que no debe verterse en la red de alcantarillado ya que no se degrada en la EDAR. La producción de biodiesel en los principales países productores del mundo se muestra en la Tabla 43.6. Tabla 43.6. Producción de biodiesel en los principales países productores del mundo (2005). País Alemania

Millones de litros 1.916,8

Francia

565,1

Italia

454,8

República Checa

152,7

EE UU

284,0

Polonia

114,8

Austria

97,6

Eslovaquia

89,5

España

especies forestales de rápido crecimiento. Estos últimos parece ser que son los que auguran mejor futuro con el desarrollo de los carburantes de segunda generación. Los rendimientos esperados de estos cultivos son mucho mayores que las tasas de disponibilidad asociadas al uso de fracciones residuales de cultivos agrícolas y forestales, ya que la totalidad de la biomasa fijada en ellos se dispone para su transformación energética. La Tabla 43.7 reproduce valores promedio de productividad para cultivos asociados a la obtención de alcoholes. Tabla 43.7. Productividad de cultivos energéticos para producción de bioalcoholes. Productividad del cultivo (t/ha/año)

Rendimiento en etanol (l/ha – año)

Remolacha

55

5.900

83,8

Sorgo azucarero (grano)

35

3.000

Dinamarca

81,5

Maíz

10

2.400

Reino Unido

58,5

Caña de azúcar

50

3.500

TOTAL MUNDIAL

3.500,0

CULTIVOS PARA BIOALCOHOLES Los bioalcoholes son biocombustibles obtenidos a partir del fraccionamiento de la biomasa para la obtención de un alcohol, como, por ejemplo, el etanol. Su uso puede ser puro, o bien en mezclas de entre 5 y 10% con gasolina normal, alcanzando valores de sustitución que pueden alcanzar hasta el 20% o 25%. Los principales cultivos utilizados para la obtención de alcohol son agrupados de acuerdo a las características de la biomasa disponible, y de esta manera el sustrato que se forma para la obtención del alcohol de forma industrial. En primer lugar, cultivos como la caña de azúcar y el sorgo azucarero, los dos poseen un alto contenido de azúcares, en forma de glucosa, sacarosa o almidón. Luego se encuentran los cultivos como cereales o tubérculos, donde destacan la remolacha y el maíz, que producen una biomasa rica en almidones. Finalmente se sitúan los cultivos con alto contenido en celulosa, que permiten la obtención de alcohol a través del fraccionamiento de la biomasa, generalmente representadas por

Cultivo

Patata (tubérculo)

62,5

5.000

Cereales

7,5

2.500

7

2.500

Pino (crecimiento anual)

En la actualidad el etanol se produce en varios países del mundo que utilizan los cultivos que mejor se adapten a las condiciones climáticas y que permitan la obtención de mayores rendimientos, y de esta forma una tasa mayor de etanol producido por hectárea. Los principales productores de etanol en el mundo son Brasil y EE UU utilizando caña de azúcar y maíz respectivamente. En la Tabla 43.8 se presenta la producción mundial de etanol para los principales países productores en el año 2004. Tabla 43.8. Producción de etanol en los principales países productores (2004). País

Millones de litros

Brasil

15.100

EE UU

13.381

China

3.649

India

1.749

Francia

829

Rusia

750 (Continúa)

760


rendimientos de entre 300 y 450 m3 por hectárea, un ejemplo de ello son los rendimientos obtenidos en zonas con clima mediterráneo de Chile para plantaciones de pino de Monterrey (Pinus radiata), con rendimientos anuales máximos de 15 a 25 m3/hectárea y año. En el caso de bosques naturales, o para especies de lento crecimiento, los rendimientos son menores y las rotaciones de entre 80 y 120 años, con incrementos anuales de 5 a 10 m3/hectárea y año y productividades que alcanzarían alrededor 1.000 m3/hectárea, en el caso de bosques naturales del sur de Chile. Una de las especies leñosas con mejor potencial para su aprovechamiento energético es el chopo (Populus spp.), Figura 43.4, ya que se ha avanzado significativamente en la creación de clones modificados genéticamente, obteniéndose híbridos con tasas de crecimiento bastante altas comparadas con otros cultivos forestales, alcanzado entre 25 y 35 m3/ha y año.

(Continuación) País

Millones de litros

Sudáfrica

416

Reino Unido

401

Arabia Saudita

299

España

299

Tailandia

280

Alemania

269

Ucrania

250

Canadá

231

Polonia

201

Indonesia

167

Argentina

159

TOTAL MUNDIAL

46.000

CULTIVOS DE LEÑOSAS DE RÁPIDO CRECIMIENTO Si bien el crecimiento de las especies forestales es más lento que el de cultivos agrícolas, la acumulación final de biomasa que se obtiene en dichos sistemas es varias veces mayor. La obtención de biomasa residual se asocia entonces a periodos de tiempo mayores, pero con tasas de extracción de biomasa más elevadas. Dicha biomasa se extrae principalmente una vez que el bosque es intervenido con fines comerciales, ya sea como productor de madera para aserrío o de trozas para la industria papelera y de tableros. En rotaciones de plantaciones de especies forestales de rápido crecimiento, quince o veinte años hasta la maduración del bosque, es posible obtener

Figura 43.4. Secuencia de cultivo de chopos (Populus spp.).

Tabla 43.9. Rendimientos promedio de especies forestales de rápido crecimiento. Productividad del cultivo (m3/ha y año)

; !

Pinus taeda

21-35

18-25

Pinus elliotti

30

18-25

Especie

Eucalyptus grandis

38-42

7-12

Eucalyptus saligna

30-35

10-12

Eucalyptus globulus

30

10-15

Populus deltoides

22

12

Populus nigra

29

12

Populus x euroamericana

29

12

Populus spp.

20

10-12

Salix spp.

15-20

10-12

Pinus radiata

15-25

15-25

Acacia melanoxylon

30-60

25-35

761


La Tabla 43.9 indica la productividad promedio de especies forestales de rápido crecimiento en climas mediterráneos.

Tabla 43.11. Costos de producción de etanol a partir de biomasa celulósica. Etapa Materia prima

COSTOS DE PRODUCCIÓN DE LOS BIOCOMBUSTIBLES Existen diferencias significativas en los costos de producción de los biocombustibles en los países productores, debido a factores económicos internos, a políticas concretas de subvención y la productividad específica de cada cultivo para la producción del biocombustibles que se pretende producir. Es posible estimar en promedio los costos de producción del biodiesel y del bioetanol presentados en la Tabla 43.10, que muestra el costo de producción por productividad del cultivo, en euros (€) por litro, y por unidad de energía en € por gigajoule (GJ). Los costos de otros biocombustibles, como los residuos agrícolas y forestales, poseen precios que varían dependiendo del tipo de cultivo, la tecnología empleada y la fracción de la biomasa que es utilizada. Se puede establecer que en términos generales poseen un costo de entre 33 y 41 €/t. En promedio es posible determinar además que la inversión necesaria para la construcción de una instalación industrial que permita el aprovechamiento energético de estos residuos, bordea los 1.600 € por kW instalado, con un costo de producción por unidad de energía de 66 € por MWh. Una estimación para ejemplificar el desglose de costos de producción de etanol a partir de biomasa celulósica de origen forestal se presenta en la Tabla 43.11.

Costo de (€/litro)

% del total

0,15

34

Energía producción

0,11

25

Productos químicos

0,025

6

Costos de producción

0,04

9

Costos de capital

0,11

26

TOTAL

0,43

100

La producción de un litro de bioetanol a partir de trigo o cebada exige tres kilos de cereal, a un coste de 0,12 euros/kg, lo que supone un precio de 0,36 euros cada litro de bioetanol solo en materia prima. Si la materia prima es paja de cereal son necesarios seis kilos, a un coste de 0,03 euros/kg, lo que supone un total de 0,18 euros el litro de bioetanol en materia prima, la mitad que con trigo o cebada. Este abaratamiento permitirá que el precio final del bioetanol así obtenido sea el mismo que el de cualquier gasolina. Con la patata la parte de interés comercial del cultivo son los tubérculos, que están compuestos fundamentalmente por agua (78%) e hidratos de carbono fácilmente hidrolizables (15-18%), principalmente inulina, de cuya hidrólisis se obtiene del orden de un 80% de fructosa y un 20% de glucosa. Aunque puede ser un cultivo destinado al consumo humano o a la alimentación animal, su verdadera importancia es como materia prima para la industria del bioetanol-carburante. La producción de etanol a partir de los tubérculos se realiza a razón de 1 l de etanol por cada 12 kg de tubérculos (frescos), pudiéndose obtener rendimientos de

Tabla 43.10. Costos de producción del biodiesel y el bioetanol. Fuente

Biocombustible

; #&!

; #&=!

Caña de azúcar

Etanol

0,25-0,35

11,6-16,6

Maíz

Etanol

0,35

15,0

Trigo

Etanol

0,53

25,0

Remolacha

Etanol

0,60

28,3

Cereales

Etanol

0,71

34,1

Madera

Etanol

0,44

20,8

Girasol

Biodiesel

0,6- 0,73

17,5-21,6

Soja

Biodiesel

0,33-0,70

10,0-21,0

Aceites usados

Biodiesel

0,20-0,40

6,1-12,2

Colza

Biodiesel

0,33-0,66

10,2-19,1

762


5.000-6.000 l de etanol por hectárea, con la ventaja de que, si se utiliza el poder calorífico de los tallos, no se necesita aporte calórico suplementario para la destilación del alcohol. En general, los costes de inversión para instalaciones de biomasa son superiores a sus homólogos para instalaciones de combustibles convencionales. Esto se debe, no solo a la falta de desarrollo de sistemas de producción en serie para algunos componentes, sino que también influyen las características especiales requeridas por los equipos para poder utilizar biomasa de forma eficiente. En cambio, en lo referente a los costes de operación o explotación de plantas de biomasa, su comparación frente a combustibles convencionales puede ser favorable o no según el tipo de aplicación. El principal componente de los costes de explotación en este tipo de instalaciones es la compra de la biomasa. Los costes debidos al suministro de la biomasa varían según la cantidad demandada, la distancia de transporte y los posibles tratamientos para mejorar su calidad, como el secado, el astillado o la peletización. A ello hay que añadir la disponibilidad del combustible, su estacionalidad y la variación de los precios, íntimamente ligados al comportamiento de las cosechas, en el caso de residuos agrícolas y de la industria agroalimentaria. Los costes de inversión dependen del uso final de la energía, de tal manera que siempre serán más altos para usos térmicos domésticos (alrededor de 450 €/kW) que para industriales (en el entorno de los 100 €/kW). En cuanto al combustible, imputa-

ble a los gastos de explotación, cuanto más elaborado, envasado, limpio y fácil de transportar sea más se encarece. En usos domésticos la diferencia de precio oscila entre los 60 €/t de las biomasas menos elaboradas y empleadas en grandes redes de calefacción y los 200 €/t para pelets envasados con destino a las calderas o estufas de viviendas unifamiliares, que es donde más se consumen. En los próximos años se espera que el desarrollo tecnológico y la extensión de los sistemas domésticos supongan un abaratamiento de los precios y un mejor servicio en calidad y rapidez. Igualmente, el aprovechamiento en España de residuos con grandes producciones, como el hueso de aceituna, la cáscara de almendra o la granilla de uva, está permitiendo diversificar el suministro y contribuir a establecer precios más asequibles. Por el momento, para el sector doméstico, los combustibles de mayor eficacia y rendimiento son los pelets y los huesos de aceituna molidos. El precio del kilogramo de pelets es mayor, fluctuando entre los 0,11 €/kg si se adquiere directamente en fábrica y los 0,20 €/kg si se compra en hipermercados o gasolineras. Aunque en España no existe un mercado desarrollado y estable como en algunos países del centro y norte de Europa, existen buenas expectativas para su crecimiento. La calefacción en edificios puede favorecer el desarrollo de un mercado más competitivo en lo que se refiere a la materia prima. En los usos industriales, la demanda de mayores cantidades de biocombustibles con menos requisitos de calidad (se quema en calderas industriales

Figura 43.5. Esquema de planta de producción de electricidad con biomasa.


menos automatizadas pero más robustas y con menor demanda de calidad en el servicio por parte del usuario) reduce notablemente el precio (alrededor de los 35 €/t) hasta llegar al “coste 0” para aquellas industrias cuyos residuos proceden de la propia actividad industrial cuando no necesitan de ningún tratamiento previo a su combustión. Los costes de inversión en el caso de la generación eléctrica tienen una clara división según se trate de instalaciones de generación eléctrica específicas de biomasa o instalaciones de co-combustión de biomasa y carbón en centrales térmicas convencionales. Las instalaciones específicas de biomasa requieren sistemas más complejos, lo que obliga a diseñar calderas con un hogar mayor que reduce a su vez el rendimiento (Figura 43.5). El mayor tamaño del hogar, unido al resto de componentes para el tratamiento y movimiento de la biomasa en la planta, dan lugar a unos costes de inversión en torno a los 1.800 €/kW instalado. El principal componente de los gastos de explotación en las instalaciones de generación eléctrica es siempre el coste de la biomasa utilizada, aun cuando se trate de residuos industriales. Dada la gran demanda de biomasa de este tipo de instalaciones el área de influencia para su suministro es muy grande, lo que implica una gran repercusión del coste de transporte en el coste final de la biomasa, que por otro lado, al ser adquirida en mayores cantidades, puede sufrir una reducción de su precio en origen. En estos casos, conside-

763

rando una distancia media de transporte asequible para la instalación y según el tipo de biomasa, los costes de suministro de esta varían entre los 80 €/t para el caso de cultivos energéticos y los 50 €/t cuando se utilizan residuos de cultivos agrícolas o forestales. Un caso aparte son las aplicaciones eléctricas industriales, cuyas condiciones se asemejan a los usos térmicos industriales, situándose sus costes en el intervalo ya descrito entre 0 y 35 €/t. El caso más favorable será aquel en que además de producir electricidad se realice un aprovechamiento térmico de la fase de condensación de ciclo de Rankine del fluido de la turbina, como se indica en la Figura 43.6, situación parecida a la cogeneración. También resulta habitualmente muy interesante cuando el aprovechamiento se realiza íntegramente para una aplicación térmica, como puede ser un secado. Los gastos de inversión asociados a los procesos de co-combustión se limitan a los equipos destinados a preparar la biomasa para su inyección a la caldera de carbón (en torno a 856 €/kW instalado) más los trabajos necesarios de adaptación de la caldera existente y sus auxiliares. El resto de los equipos forman parte de la instalación convencional. La co-combustión facilita un mayor rendimiento en la generación (del 30% frente al 23% de las instalaciones específicas o industriales) y una mayor potencia instalada por central, pero también implica una mayor demanda de biomasa, que debe ser transportada desde distancias mayores con costes medios en torno a los 50 €/t.

Figura 43.6. Sistema mixto calefacción-electricidad.

764


El inventario de la biomasa A medida que un país va conquistando mayores cotas de desarrollo, precisa recurrir a todas sus potencialidades económicas, en sentido amplio, y la potencialidad de los recursos agrícolas y forestales forma parte de ello. La Tabla 43.12 compara la potencialidad española con otros países de clima semejante. Multiplicando la superficie (km2) por 100 se obtiene la cantidad de hectáreas. La Tabla 43.12 esta extraída de diversas fuentes, de ahí que las cifras no concuerden exactamente. Así, según fuentes gubernamentales, en España existen 14,41 millones de hectáreas de bosque (28,5% de la superficie del país), mientras los valores de la parte baja de la tabla indican 32%. Un inventario forestal podría definirse como el proyecto encaminado a obtener el máximo de información posible sobre la situación, régimen de propiedad y protección, naturaleza, estado legal, probable evolución y capacidad productora de todo tipo de bienes de los montes de un país. La necesidad de inventario forestal nacional ha sido reclamada desde diversos foros como la “Conferencia sobre medio ambiente y desarrollo” (1992), el Foro Forestal de Naciones Unidas (UNFF), las Conferencias Ministeriales para la Protección de Bosques en Europa de 1997 (Lisboa) y 2003 (Viena), los congresos forestales mundiales de 1991, 1997 y 2003 y los correspondientes españoles de 1997, 1999 y 2001, así como la Ley de conservación de espacios naturales (1989) y

la nueva Ley básica de Montes estatal (2003), las diversas normas legislativas y de gestión de las comunidades autónomas, y las nuevas estrategias forestal y de diversidad biológica, así como el Plan Forestal Español. El ámbito forestal y sus disponibilidades tienen que atender las demandas sociales, económicas, ecológicas, culturales de las generaciones actuales y venideras. Demandas que deben materializarse en bienes y servicios forestales, como madera y derivados de la misma, agua, alimentos, empleo, forrajes, combustibles, esparcimiento, hábitats, almacenes de carbono, diversidad biológica, protección del ambiente, paisaje, etc.

Figura 43.7. Operaciones del inventario forestal.

Tabla 43.12. Superficies forestales de países mediterráneos.

Coníferas

España

Francia

Italia

Grecia

Portugal

4.178.446

3.524.723

1.262.607

527.878

769.188

Hoja ancha

3.495.714

8.384.502

4.910.781

839.614

1.052.331

Mezclas

1.029.186

1.980.128

1.029.572

575.889

657.7077

Matorrales

3.468.494

476.4473

1.499.478

1.052.113

432.106

Dehesas

2.240.725

9.188

201.450

166.615

591.976

Total (ha)

14.412.565

14.375.014

8.903.888

3.162.109

3.503.308

505.989

543.965

301.308

131.957

91.831

Extensión país km2 Bosques

32%

26,9%

22,4%

19,8%

35,7%

Cultivado

39,7%

34,9%

32,4%

29,5%

34,3%

Pastos y prados

21,1%

20,3%

16%

39,8%

9,1%

Improductivo

7,2%

17,9%

29,2%

10,9%

20,9%

765


Un inventario forestal nacional es un proyecto de alto coste económico (el segundo inventario nacional superó los 24 millones de euros) y para rentabilizar esa gran inversión es necesario que tenga utilidad en múltiples campos. Los objetivos generales de un inventario son los siguientes: •

•

•

•

•

Suministrar una información estadística homogénea y adecuada sobre el estado y la evolución de los ecosistemas forestales españoles. Servir como instrumento para la coordinación de las políticas forestales y de conservación de la naturaleza de las comunidades autónomas y del Estado. Elaborar un sistema de datos de fácil acceso que posibilite la educación y la participación ciudadana en el ámbito forestal. Constituir un elemento de la red europea de información y comunicación forestal, biológica y medioambiental. Estudiar la evolución de los montes españoles mediante la comparación de las parcelas descritas en el anterior inventario.

Y los específicos son: •

•

•

• •

• •

•

Dividir la superficie terrestre clasificándola por uso, nivel morfoestructural, formación forestal dominante, régimen de propiedad y de protección, altitud, etc. Cuantificar estadísticamente las existencias de la biomasa mediante la cantidad de árboles, el área basimétrica, el volumen maderable, la estructura de los ecosistemas, etc. Proporcionar indicadores para interpretar racionalmente la regeneración, la fauna y la flora singular, la fisiografía, el suelo, la presencia de matorrales, etc., y las relaciones mutuas. Medir la productividad del biotopo. Suministrar datos para una caracterización del paisaje, de su evolución y de su fragilidad. Estudiar la biodiversidad de los ecosistemas inventariados. Conocer los parámetros convenientes relacionados con la erosión, los incendios, el estado fitosanitario, etc. Analizar la economía y el empleo del sector

•

•

•

•

forestal, así como las infraestructuras viarias y los equipamientos presentes. Conseguir los datos necesarios para calcular los índices de medición del desarrollo y gestión sostenible. Valuar los beneficios productivos, protectores, recreativos, ecológicos, medioambientales y paisajísticos de los sistemas forestales inventariados. Mesurar los crecimientos, la mortalidad, las cortas, los cambios en los árboles y en el sistema, la evolución en general. Proveer los datos necesarios para determinar la importancia de los montes como sumideros de carbono y reguladores de CO2.

Un inventario debe ser continuo, repitiéndose un nuevo ciclo cada diez años. Es fundamental contar con un sistema de información geográfica (SIG) de alta calidad. En España, Castilla-León y Andalucía son las zonas donde existe más actividad forestal. Se calcula una potencialidad de 1,5 millones de toneladas de madera seca al año.

PLAN FORESTAL ESPAÑOL El Plan Forestal Español se proyecta para los próximos 30 años (2002-2032). A lo largo de este periodo está previsto efectuar dos revisiones en profundidad del documento que podrán afectar al diagnóstico, estructura, desarrollo e interpretación de las medidas propuestas en el Plan. Los principios en que se justifica el PFE son: • • •

•

•

Desarrollo sostenible. Multifuncionalidad de los montes. Contribución a la cohesión territorial a través del desarrollo rural, fijando población y empleo. Contribución a la cohesión ecológica, integrando la conservación de la diversidad biológica en la gestión forestal y preservando, además, el patrimonio genético forestal. Participación pública y social en la formulación de las políticas, estrategias y programas.

El primer objetivo del PFE consiste en promover la protección del territorio de la acción de los procesos erosivos y de degradación del suelo y el

766


agua mediante la restauración de la cubierta vegetal protectora. Impulsar la gestión sostenible de los montes españoles mediante el fomento de la ordenación y la selvicultura. Entre los objetivos más sobresalientes se pueden citar: • Estimular y mejorar las producciones forestales como alternativa económica y motor del desarrollo rural, en especial en áreas marginales y de montaña. • Procurar la adecuada protección de los montes frente a la acción de incendios forestales, enfermedades, agentes bióticos, agentes contaminantes y elementos del clima, y la defensa de su integridad territorial y estatus legal. • Promover la conservación de la diversidad biológica mediante el fomento del uso sostenible de sus componentes en los espacios forestales españoles, asumiendo los criterios y acciones pertinentes en la gestión forestal. • Promocionar un uso recreativo responsable de nuestros montes que contribuya a la divulgación de una nueva cultura forestal. • Mantener y mejorar el marco adecuado de formación, información e investigación forestal. • Consolidar el marco de colaboración entre los sectores institucionales y agentes sociales implicados en el mundo forestal. El Plan Forestal Español propone hasta un total de 150 medidas, entre las que cabe destacar: •

•

•

• • •

Estadísticas de actualización permanente: Inventario Forestal Nacional, Mapa Forestal de España, Inventario Nacional de Erosión de Suelos, Estadística de Incendios Forestales, redes europeas de seguimiento de daños en los bosques, así como otras estadísticas de interés para el sector forestal. Actuaciones de restauración hidrológicoforestal enmarcadas en un programa de actuaciones prioritarias. Establecimiento de planes de ordenación de recursos forestales como instrumentos de planificación forestal a escala comarcal. Apoyo a la certificación forestal. Apoyo a la vigilancia, prevención y extinción de incendios forestales. Actualización de la normativa para la utili-

•

•

•

zación y comercialización de los materiales forestales de reproducción. Integración de la conservación de la biodiversidad en la gestión forestal. Directrices y modelos de gestión en espacios forestales de la Red Natura 2000. Elaboración, por parte de las administraciones competentes, de un Plan de la Industria Forestal. Trabajos periódicos de selvicultura de mejora forestal en 1.400.000 hectáreas y de prevención contra incendios en 2 millones de hectáreas.

Debido a la erosión, España pierde al año unas 45.000 hectáreas de bosque. Uno de los objetivos estriba, en siete años de aplicación del Plan, en pasar de los actuales 125 árboles per cápita a 155, como paso intermedio hacia el objetivo de duplicar esa cifra y alcanzar los 250 ejemplares por español allá por el año 2032.

EL POTENCIAL DE BIOMASA FORESTAL EN ESPAÑA Según ASENFO (Asociación Nacional de Empresas Forestales), los datos más importantes son: • • • •

Superficie forestal de España: 27,5 millones de ha (25.000 km2). Superficie susceptible de aprovechamiento: 7,9 millones ha (29%). Existencia de biomasa forestal en España: 200.103.000 toneladas. Biomasa potencialmente disponible: 6.578.469 t/año.

La cifra de biomasa potencialmente disponible se obtiene de la siguiente manera, a partir de la existencia de biomasa forestal (200 millones de toneladas), el 29% corresponde a 58 millones de toneladas. Se considera que una tala sostenible es alrededor del 11%, luego la biomasa potencialmente disponible será de 6,4 millones de toneladas. Por orden de importancia las CC AA son: Castilla-La Mancha, Castilla-León, Andalucía, Cataluña, Galicia y Aragón. La UE aumenta algo estas cifras, como muestra la Tabla 43.13, si bien las cantidades se refieren a biomasa seca que también incluye el matorral disponible en diversos países del sur de Europa.

767

Biomasa y bioenergía Tabla 43.13. Residuos forestales disponibles en países mediterráneos (t materia seca/año). España

Francia

Italia

Grecia

Portugal

Coníferas

1.438.717

2.074.704

634.788

142.850

116.207

Hoja ancha

1.594.704

4.394.459

2.395.739

471.003

217.701

Mezclas

549.137

1.136.330

534.256

240.486

174.347

Matorrales

937.845

137.540

412.936

224.743

88.907

Dehesas

252.248

2.023

36.380

14.315

38.604

4.772.650

7.745.056

4.014.099

1.093.398

636.766

Total (ha)

Combustibles residuales. Valorización de residuos

44

LOS RESIDUOS DE LAS INDUSTRIAS AGRÍCOLAS Y GANADERAS PUEDEN ORIGINAR UN GRAN IMPACTO AMBIENTAL O, SI SON DEBIDAMENTE PROCESADAS, UNA IMPORTANTE FUENTE DE ENERGÍA Y/O BIOCOMBUSTIBLES •

• • •

• •

• •

•

Según datos de la FAO, el cultivo más importante son los cereales que suponen casi el 50%, siguiendo las oleaginosas con el 16% y los forrajeros con el 13% del área sembrada. Los árboles frutales equivalen al 3,5% de la superficie mundial de cultivos. En España se ha calculado una producción de residuos agrícolas en más de 30 millones de toneladas. Los más fáciles de recuperar y aprovechar son los residuos de poda. La productividad de un bosque mediterráneo, a la edad de cosecha, es de unos 300 m3/ha. De las plantaciones de pino, se calcula que un 16% son residuos valorizables energéticamente. En España, se estima en 6 millones de t/año los residuos forestales procedentes de la transformación primaria de la madera, que se incrementaría sustancialmente si se procediera a la limpieza periódica. Con ello se llegaría fácilmente a los 1.000 MW eléctricos de potencia. En algunas circunstancias, de cara a la valorización, es necesario un cierto grado de secado, por ejemplo, para transformaciones de pirólisis, gasificación o transformación en biocarburantes. La tecnología actual permite la obtención de 350 l de bioalcohol por tonelada de biomasa, o lo que es equivalente, 1 t de biomasa. Un vehículo que recorra 15.000 km/año, va a consumir 1.200 l alcohol/año, o bien 3,5 t biomasa/año. Otra valorización energética es vía incineración. 1 t RSU permite obtener unos 450 kWh de electricidad. Un animal de estabulación produce anualmente veinte veces su peso en estiércol. De ahí se deduce un potencial energético fantástico. Solo la generación de gallinaza podría generar 8 MW(e). En el Reino Unido existen diversas plantas de este tipo. Hay que hacer un esfuerzo para lograr la sostenibildad energética de las granjas de cerdos. Para ello hay que reducir el agua de limpieza al mínimo y acudir a la codigestión. Cada cerdo genera, de media, 7 l de purín al día.

770


Introducción El proceso de combustión con exceso de aire o incineración es el método de aprovechamiento energético de la biomasa más antiguo y ampliamente utilizado. Es una reacción de oxidación donde el oxígeno presente en el aire actúa como elemento oxidante. La oxidación de la biomasa es un proceso altamente exotérmico que permite la autoalimentación para proseguir la reacción sin apoyo externo de energía, esta reacción entrega calor y genera productos de la combustión, mayoritariamente gases y escorias. Se puede representar mediante la siguiente expresión general: CxOyHzSyNu + O (Aire) → CO2 + H2O + SOx + NOx

Por lo general la materia vegetal posee un alto porcentaje de humedad, en muchas ocasiones dicha cantidad es mayor al peso seco de la materia, lo cual hace imprescindible la adecuación de la biomasa a niveles que aseguren la autocombustión. Hay diversas técnicas para llevar a cabo la combustión de la biomasa, existe un amplio desarrollo de equipos y sistemas que permiten la obtención de altos niveles de eficiencia para la producción de electricidad y por lo tanto diversos autores coinciden en que dado el desarrollo tecnológico en que se encuentra dicha tecnología, es difícil obtener mejoras sustanciales en dichos procesos. Las técnicas más utilizadas son la combustión en parrilla, la combustión en horno rotatorio y la combustión en lecho fluidizado. Un sistema completo de generación de electricidad a partir de combustión de biomasa se describe, en términos generales, por la siguiente secuencia de procesos y componentes: • •

Sistema de alimentación de biocombustibles. Sistema de combustión de parrilla, lecho fluidizado u horno rotatorio.

• • • •

Sistema de entrada de aire para la combustión. Sistema de intercambio de calor con el ciclo vapor-agua. Sistema de depuración de gases. Sistema de retirada de las cenizas.

La Tabla 44.1 muestra las emisiones de un sistema de valorización energética de biomasa, mediante la combustión de biomasa, comparándola con las emisiones de la generación de electricidad a partir de combustibles fósiles. Tabla 44.1. Emisiones totales en la generación de electricidad a partir de combustión de algunas biomasas y combustibles fósiles. Emisiones (g/kWh) Combustible

CO2

SO2

NOX

Residuos forestales

29

0,11

1,95

Paja

13

0,88

1,55

Residuos avícolas

10

2,42

3,90

RSU

364

2,54

3,30

Gas natural 1

446

0,0

0,50

Carbón

955

11,8

4,30

Carbón 2

987

1,5

2,90

1: central de ciclo combinado 2: quemadores de bajo NOx y desulfuración del gas de chimenea FDG (Flue Gas Desulfurization)

Con referencia al CO2 de la tabla anterior hay que hacer mención a que los primeros combustibles son biomasa renovable y, por lo tanto, el CO2 indicado debería ser nulo. No obstante, existen unas tareas de recolección y preparación donde se emite CO2 de origen fósil que es, precisamente, el que aparece en la tabla.

Generación de residuos de la industria agrícola Corresponde a la biomasa residual presente en los residuos generados por la industria agrícola, a través de los remanentes de cultivos o bien por

medio de actividades industriales de transformación de alimentos, donde dichas fracciones no son consideradas como parte del cultivo cosechado

771


propiamente como tal. Es una de las fuentes donde la disponibilidad de biomasa para su valorización posee uno de los más importantes potenciales, ya que se trata de actividades que se distribuyen en un amplio espectro de situaciones climáticas, económicas y tecnológicas. La Tabla 44.2 muestra, según la UE, la superficie empleada en cultivos en los países del área mediterránea. Como es característico en la biomasa residual, estos residuos poseen una variabilidad que depende de cada cultivo y sus propiedades intrínsecas. Pueden tener malas condiciones fitosanitarias derivadas de plagas presentes en el cultivo original, que hay que considerar en los tratamientos posteriores que se realizarán (depuración de gases). Los residuos de las industrias agroalimentarias corresponden a aquellos de naturaleza orgánica que son producidos por las industrias derivadas de la agricultura (azucareras, fábricas de cervezas, destilerías, etc.) y la ganadería (mataderos, lecherías, etc.). En España existen 38.000 granjas que producen 62 millones de toneladas de residuos de los que el 50% son vertidos sin ningún tipo de control. La legislación vigente relativa al control de estos efluentes ha conducido a una mejor recuperación de estos residuos industriales, que en muchas ocasiones son realmente subproductos que se emplean como materia prima en otras industrias. Los residuos que merecen destacarse por su importancia cuantitativa son los procedentes de la fabricación del aceite de oliva (orujo, alpechines, alperujo), de la extracción de aceites de semillas (cáscaras), de la elaboración de frutos secos, de la industria conservera y de la fabricación de cerveza y malta.

De los datos de la FAO, sobre cultivos agrícolas mundiales, los cereales e alcanzan casi un 50% de la superficie cultivada, los cultivos de oleaginosas tienen un 16% y las forrajeras con 13%. Los cultivos de árboles frutales, alcanzan una superficie equivalente al 3,4%. Una estimación, de acuerdo a los datos recopilados de los principales cultivos, permite establecer la biomasa residual disponible susceptible de ser valorizada, y que se genera en las labores de manejo y aprovechamiento tradicional de cada cultivo, resultados que se presentan en la Tabla 44.3. Tabla 44.3. Biomasa residual de principales cultivos agrícolas. Cultivo

Biomasa residual (t/ha)

Almendro

2,0

Arroz

8,0-8,5

Cereales

2,5-5,5

Cítricos

2,0

Frutales

1,3-3,0

Maíz

20-35

Olivos (podas anuales)

1,4-1,7

Patata

3,5-4,5

Remolacha

8,5

Viñedos

2,0

Existen diferencias apreciables en las tasas de producción de biomasa residual, lo cual se explica por diferencias en rendimientos y la intensidad de cultivo. Es necesario considerar e identificar además la diferencia entre cultivos anuales y perennes. Esta debe ser considerada, ya que el esfuerzo productivo necesario para establecer plantaciones

Tabla 44.2. Superficie cultivada (ha) en diversos países del área mediterránea. Cultivo

España

Francia

Italia

Grecia

Portugal

Secano

6.609.517

10.325.360

4.198.004

997.974

482.4444

Regadío

511.075

-

51.356

507.225

-

Arroz

89.513

7.888

253.500

1.250

50.619

Olivos

1.586.906

6.519

1.186.2443

524.912

328.662

Huertos

606.163

179.181

451.456

124.831

80.756

Viñedos

867.806

1.223.756

455.481

137.231

275.950

Mixtos

141.219

16.025

622.587

16.775

546.550

TOTAL

10.412.198

11.758.729

7.218.6628

2.310.199

1.764.982

772


anualmente es claramente superior al necesario en cultivos de carácter perenne, lo que determina productividades diferentes, con una intensidad mayor en el uso de recursos para el establecimiento de los cultivos. Este condicionante puede ser relevante desde el punto de vista ambiental dada la extracción masiva de nutrientes a que es sometido el suelo y las cantidades importantes de agua de riego que son necesarias para establecer los cultivos anuales. Los residuos agrícolas comprenden todas las partes de los cultivos alimentarios o industriales que no son consumibles o comercializables. Constituyen una serie muy heterogénea de productos, con el denominador común de una gran dificultad de eliminación por tener, como ya se ha mencionado, en muchos casos un elevado potencial contaminante. Los residuos agrícolas pueden clasificarse en tres tipos: •

•

•

Raíces, hojas o frutos no aprovechables. Estos residuos se incorporan al suelo y contribuyen a mejorar considerablemente las propiedades físicas y biológicas del suelo y en menor grado a aumentar su contenido en nutrientes. Tallos, y en general, la parte aérea de la planta que es preciso separar para facilitar la recolección o las labores agrícolas. Una parte considerable de estos residuos herbáceos son consumidos por el sector ganadero, como es el caso de las pajas de leguminosas y algunas de cereal o residuos verdes de cultivos, como remolacha azucarera o ciertos residuos de huerta. Residuos con potencial interés energético. Generalmente se trata de residuos lignocelulósicos que se suelen quemar en las propias tierras de labor. A esta categoría de residuos corresponden las pajas de los cereales grano y el cañote de maíz, algunos cultivos industriales como los textiles y oleaginosas (girasol, algodón) y la poda anual de frutales y viñedos que en otras épocas eran utilizados como combustible doméstico pero que hoy constituyen un problema de eliminación. Los sarmientos se utilizan generalmente como combustible en calde-

ras, hornos, etc. Sin embargo no se han de despreciar como fuentes de obtención de celulosa con todo lo que esto conlleva: obtención de papel, bioalcohol, biogás... En España se ha calculado una producción de residuos agrícolas utilizables próxima a los 32,2 millones de toneladas anuales. Los residuos de cereales de grano representan la partida más elevada y originan el 85% de los residuos agrícolas. Los residuos de los cultivos industriales suponen una cantidad de un millón de toneladas anuales aproximadamente, y representan, contrariamente al de los cereales, un considerable problema de eliminación. Ciertos residuos de poda poseen un elevado poder calorífico y su recogida, después de las labores de poda, pueden mecanizarse con facilidad. El olivar es el que más residuo aporta (53% de los residuos de poda). La utilización de los residuos agrícolas locales puede hacer autosuficiente energéticamente en determinadas comarcas. Los residuos agrícolas, como residuos del maíz o la paja, pueden utilizarse para la producción de carburantes, productos químicos y energía. En el planteamiento termoquímico, la biomasa primero experimenta un tratamiento térmico severo. En la presencia de una cantidad controlada de oxígeno, del orden del 30% de la estequiométrica, tiene lugar un proceso llamado gasificación. El gas producido se llama gas de síntesis o syngas. Si el proceso se conduce en ausencia del oxígeno, el proceso se llama pirólisis y, bajo ciertas condiciones, se obtiene un producto líquido denominado bio-oil. El syngas se puede utilizar en un proceso catalítico para la síntesis de una variedad de productos. En la síntesis de Fischer-Tropsch, el syngas se emplea para la producción de combustibles para el transporte, como el diesel y la gasolina, junto con otros productos químicos. El syngas puede utilizarse también para la síntesis del metanol, de etanol y de otros alcoholes. Estos a su vez se pueden usar como combustibles para el transporte o como bases para otros productos químicos. El bio-oil puede emplearse en procesos de combustión o puede utilizarse para syngas mediante gasificación. Otro uso potencial es la extracción de productos químicos.

773


Generación de residuos de la industria forestal De una manera análoga a los cultivos agrícolas, existe una dispersión importante en la generación de biomasa forestal residual, ya que plantaciones forestales de una u otra especie, o bosques naturales multiespecíficos, poseen características propias de estructura y crecimiento, que condicionan la cantidad de biomasa disponible en los bosques. La utilización de biomasa residual de origen forestal posee un potencial mayor en plantaciones, sin perjuicio de la biomasa que puede aportarse desde un manejo forestal sustentable de bosques naturales, donde a partir de cortas intermedias, programadas por especialistas, se puedan extraer pequeños volúmenes. Las importantes reservas en los bosques naturales, que desde siglos pasados han sido fuente energética principalmente por el uso de leña como combustible, con bajos rendimientos energéticos, han visto amenazada su existencia por la sobreexplotación no racional de extensas zonas, que luego se degradan y pierden el potencial productivo. Los parámetros de disponibilidad de la materia prima deben responder a las características de la especie forestal que se utilizará como fuente principal de biomasa y también al origen que esta tenga, ya que puede provenir tanto de plantaciones con fines energéticos, como de residuos de procesos industriales o de explotación maderera en los bosques. La explotación de un bosque genera una cantidad de residuos importante, ya que buena parte de un árbol que es talado, corresponde a secciones no aprovechables desde el punto de vista de la industria forestal y es abandonado muchas veces como residuo en los propios bosques. Si bien hay sinergias en ciclos de nutrientes, una parte de esta biomasa que queda alojada en el suelo forestal, puede ser extraída del bosque y ser aprovechada energéticamente. Este material leñoso corresponde principalmente a ramas, hojas y secciones de diámetro menor del tronco, pero pueden alcanzar un porcentaje importante del volumen total de un árbol y por ende del volumen total de un bosque. Si bien los inventarios de biomasa total aún no son tan extendidos en el campo de la actividad forestal, existen en la actualidad proyectos que buscan

desarrollar fórmulas matemáticas que permitan estimar con mayor exactitud el volumen total de un bosque. Hasta ahora lo que interesaba a la industria era el volumen comercial que posee un árbol, es decir, descontando todos los residuos que se generan al extraerlo desde el bosque. La composición genérica que caracteriza un árbol promedio se muestra en la Tabla 44.4, donde el mayor porcentaje de la biomasa total corresponde al tronco. Tabla 44.4. Composición promedio de un árbol. [ ]

% de volumen total

Tronco

67

Ramas

16

Hojas

3

Tocones

14

Total

100

Es posible establecer, en una región mediterránea, plantaciones de especies de Pinus sp., aproximadamente con un 16% de volumen aprovechable energéticamente, correspondiente a residuos de los procesos de extracción. Además se estima que un 5% del volumen es biomasa residual que permanece en el bosque y se incorpora al ciclo de nutrientes. Este último aspecto es importante analizarlo ya que puede presentar algunas alternativas de aprovechamiento sin dejar de lado la nutrición del suelo forestal. Por ejemplo, algunos beneficios que pueden obtenerse al despejar superficies importantes de terreno que ciertos meses del año se transforman en focos de frecuentes incendios forestales y afectar seriamente las condiciones edáficas y biológicas del lugar. Si se considera la productividad de un bosque promedio de Pinus sp., de unos 300 m3/ha a la edad de cosecha, en una zona mediterránea, es posible obtener alrededor de 48 toneladas de biomasa residual por hectárea, recolectando solo la biomasa remanente de las actividades de cosecha forestal. A esto es posible agregar de 40 a 50 toneladas de biomasa residual que puede obtenerse de las cortas intermedias del bosque. Es necesario considerar la temporalidad de las rotaciones de cultivos forestales, ya que especies

774


de rápido crecimiento pueden tener ciclos productivos de 15 a 25 años, y especies de lento crecimiento, pero con mayor biomasa acumulada en el bosque, pueden alcanzar ciclos de 90 a 120 años. Los residuos forestales con la explotación anual de los bosques da lugar a la recuperación de maderas y troncos descorchados, mientras quedan sobre el terreno cortezas, ramas y hojas (aproximadamente la tercera parte del árbol) que aparecen en forma de residuos. También son considerables los residuos que se producen en las limpias de los bosques naturales que se realizan para evitar la propagación de incendios y para aumentar el rendimiento del bosque. Estos residuos deben ser retirados del monte, pues son un factor de riesgo importante para la propagación de plagas y de incendios forestales. Los residuos forestales (incluyendo los residuos de las industrias de la transformación primaria de la madera) generados en un año en España suponen aproximadamente seis millones de toneladas al año, que podrían incrementarse considerablemente si la limpieza de los bosques se llevase a cabo cada diez años. Todas las actividades industriales del sector de la madera también generan residuos

susceptibles de ser empleados como combustible. La fabricación de productos elaborados de madera y la industria del corcho además generan diversos tipos de residuos que pueden utilizarse como combustible. Los combustibles más empleados son cortezas y serrines. Solo los programas autonómicos de prevención de riesgo de incendios, podrían en principio y en su caso potenciar aportes energéticos alternativos procedentes de esta biomasa. Los procesos de transformación física de la fitomasa residual en general, y especialmente el proceso de compactación, suponen un reto tanto técnico como económico para el aprovechamiento energético de estos materiales de naturaleza heterogénea y formas y tamaños dispares. En efecto, los elevados costes de manejo y la puesta a punto de las tecnologías más adecuadas en cada caso dificultan, encarecen y condicionan los proyectos específicos que serían potencialmente realizables en este el de las energías renovables. En función de la propia naturaleza de los productos residuales empleados como materia prima y de su presentación y características intrínsecas específicas, será preciso realizar una o varias etapas de transformación física y acondicionamiento

Figura 44.1. Posibilidades de las conversiones energéticas de la biomasa.


previo. Estos se realizarán siempre que el valor añadido de los productos que se obtienen permita su introducción en mercados donde el precio de los combustibles renovables compense los costes ocasionados por el manejo y manipulación a que son sometidos. En determinadas circunstancias, resulta imprescindible, o incluso rentable, deshidratar la biomasa y/o someterla a una o más etapas de reducción granulométrica y acondicionamiento estructural; o incluso es posible compactar la biomasa residual lignocelulósica para obtener productos combustibles de alta densidad (600 a 1.300 kg/m3) que se utilizan como sustitutivos del carbón y la leña. El coste final del producto obtenido depende del incremento de valor añadido que se obtiene al someter la materia prima a los diferentes proce-

775

sos de acondicionamiento y transformación física. Así, en productos de muy alto valor añadido como las briquetas, pelets o gránulos el coste es superior al del resto de los residuos transformados en combustibles sometidos a procesos de menor grado de transformación como las astillas, serrín, virutas, etc. No obstante, el precio de venta potencialmente alcanzable por estos combustibles más elaborados justifica en muchos casos las inversiones y costes adicionales necesarios para obtenerlos. Desde el punto de vista de la conversión energética, las nuevas tecnologías, como muestra la Figura 44.1, permiten una gama de posibilidades interesante. La Figura 44.1 simplifica las posibilidades ya que, por ejemplo, la incineración puede proporcionar calor y/o electricidad.

Fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos Los residuos sólidos urbanos (RSU) poseen alrededor de un 40% de materia fermentable, de la cual una parte importante puede ser valorizable a través de procesos de conversión. Los RSU pueden valorizarse energéticamente a través de la incineración o gasificación. Este proceso se integra generalmente con una etapa de clasificación de los residuos donde son extraídos los residuos inertes, metálicos, vidrio e industriales, los cuales se incorporan normalmente a procesos de reciclaje. La fracción restante, compuesta principalmente por residuos orgánicos, se lleva al horno incinerador donde se oxida y se recupera la energía en forma de calor. Otra alternativa es el compostaje, siendo uno de los procesos de valorización de residuos fermentables más utilizados en la actualidad. Este proceso permite la obtención de un sustrato rico en nutrientes que puede utilizarse para mejorar la calidad de suelos agrícolas o forestales, nutriendo cultivos y permitiendo la valorización de residuos, que difícilmente pueden tener otro uso. Esta variante es solo recomendable a partir de la fracción fermentable recogida selectivamente. Si la materia orgánica no está limpia, el compost producido es de muy mala calidad (compost gris) y suele acabar en el vertedero. Una de las tendencias de tratamiento y valorización de RSU más extendida es su conversión a

biogás. Para ello es precisa una cuidadosa recogida selectiva. El material clasificado se introduce en un metanizador que produce biogás. Por lo general la tasa de conversión (materia sólida/biogás) es muy baja. Para incrementar los rendimientos es preciso provocar la rotura de las paredes celulares y celulósicas y ello se puede lograr con mayor o menor eficacia con: ultrasonidos, hidrólisis térmica y cavitación hidrodinámica. En este último caso la producción de biogás se puede multiplicar por cinco. Aproximadamente la tasa de generación de RSU en un país como España es de 1,6 kg/persona/día, con lo cual la cantidad de residuos orgánicos producidos diariamente es de tal magnitud que permite el establecimiento de numerosas instalaciones dedicadas a su tratamiento. Efectuando un cálculo simple a partir de la generación media de RSU en una ciudad europea, es posible realizar una estimación del potencial aprovechamiento de la fracción orgánica de los RSU. Si un 40% de los residuos generados son materia orgánica susceptible de ser valorizada, en una ciudad de un millón de habitantes, se generaría un total de 400 toneladas de materia orgánica al día. La tecnología disponible hoy en día permite obtener alrededor de 330 litros de etanol a partir de una tonelada de residuos orgánicos, por lo que en una

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ciudad de un millón de habitantes potencialmente podría producirse un total de 132.000 litros diarios de bioetanol, lo que significa más de 48 millones de litros anualmente. Este combustible es el suficiente para cubrir las necesidades de combustibles de 100.000 personas. Otra alternativa es la valorización energética a través de la incineración de los RSU, que permite obtener aproximadamente 450 kWh de electricidad por tonelada de residuos, con un costo de producción de alrededor de 0,16 € por kWh. Un claro ejemplo del uso de biomasa y aprovechamiento de residuos urbanos se tiene en el municipio de Västerås en Suecia. En este municipio de 170.000 habitantes el gobierno local ha establecido un convenio con las personas para que hagan la primera selección y separación de residuos orgánicos en los domicilios y los negocios locales. En el programa participa activamente el 90% de la población. La recogida selectiva de los residuos se realiza con camiones basureros especialmente adaptados para tal fin y que además funcionan con el biogás obtenido mediante digestión anaerobia del residuo. Para optimizar el proceso de obtención del gas el municipio ha firmado otro convenio con los agricultores para que entre los ciclos de cultivo de productos comerciales tengan un ciclo de producción de pastura de rápido crecimiento que se cosecha escalonadamente para asegurar el abastecimiento del

material vegetal a las plantas de digestión. Esta pastura recién cortada se introduce en mangas plásticas de hasta 90 m de largo en las que se inicia el proceso de ensilaje y fermentación. De estos tubos se obtiene un residuo líquido con un alto poder fertilizante que emplean los agricultores en una primera etapa; el residuo sólido es dosificado para su aplicación en los tanques de digestión en los que se mezcla con la fracción orgánica de los RSU que previamente han sido separados y recolectados. La planta de digestión anaerobia consta de varios tanques unidos en serie para mantener la presión del gas y la recirculación del mismo para acelerar el proceso. Con este sistema se han alcanzado producciones de hasta 350 Nm3/hora de biogás. Este gas es sometido a presurización y lavado contraflujo en agua para obtener finalmente el metano puro, el agua de proceso es después desgasificada a presión atmosférica obteniéndose CO2 y restos de metano que es reintroducido al circuito de alta presión (10 a 12 bares). El volumen de biogás obtenido es suficiente para mantener la flota de 40 autobuses municipales y los diez vehículos adaptados para la recolección de los residuos orgánicos, además de otros 500 vehículos pequeños de transporte ligero. Los agricultores que participan de este proyecto reciben además fertilizante sólido de alta calidad que les permite mantener y mejorar 1.500 hectáreas de cultivo intensivo.

Residuos procedentes de la industria ganadera La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) publicó en noviembre de 2006 un estudio en el que se revela que el sector ganadero genera el 18% de los gases de efecto invernadero (expresado en su equivalencia de CO2), situándose por encima incluso del sector del transporte; en este mismo comunicado se destaca además que la ganadería es una de las principales causas de la degradación del suelo y los recursos hídricos. El estiércol es una mezcla de las camas de los animales con sus deyecciones, que ha sufrido fermentaciones más o menos avanzadas primero en el establo y luego en el estercolero. Se incluye en

este apartado ya que, básicamente, el potencial de valorización energética se debe a la presencia de los residuos de celulosa (camas). El estiércol es un abono compuesto de naturaleza órgano-mineral, con un bajo contenido en elementos minerales. Su nitrógeno se encuentra casi exclusivamente en forma orgánica y el fósforo y el potasio al 50% en forma orgánica y mineral, pero su composición varía entre límites muy amplios, dependiendo de la especie animal, la naturaleza de la cama, la alimentación recibida, etc. Por término medio, un estiércol con un 20-25% de materia seca contiene 4 kg de nitrógeno/t, 2,5 kg de anhídrido fosfórico/t y 5,5 kg de óxido de potasio/t. Por lo


que hace referencia a otros elementos contiene, por tonelada, 0,5 kg de azufre, 2 kg de magnesio, 5 kg de calcio, 30-50 g de manganeso, 4 g de boro y 2 g de cobre. El estiércol de caballo es más rico que el de oveja, el de cerdo y el de vaca. El de aves de corral o gallinaza es, con mucho, el más concentrado y rico en elementos nutritivos, principalmente en nitrógeno y fósforo. Los estiércoles que producen un mayor enriquecimiento en humus son aquellos que provienen de granjas en las que se esparce paja u otros materiales ricos en carbono como cama para el ganado, y se espolvorean sobre ellos rocas naturales trituradas (fosfatos, rocas silícicas, etc.) y tierra arcillosa para una mejora de la calidad. Un animal en estabulación permanente produce anualmente alrededor de veinte veces su peso en estiércol. El procedente de granjas intensivas se reconoce fácilmente por su desagradable olor a putrefacción, que da lugar a la formación de sustancias tóxicas en el suelo debido a su alto contenido en nitrógeno proteico y a sus elevadas tasas de antibióticos y otros fármacos. Por tanto estos residuos deben utilizarse con mucha precaución. El estiércol fresco puede aplicarse al suelo (a veces a través de compostaje) de superficie directamente. Se usa sobre todo en cultivos exigentes en abonado que toleran bien la materia orgánica fresca, como es el caso de patata, remolacha, tomate, etc., así como en los cultivos plurianuales, como frutales y viñas, sobre los abonos verdes y las praderas permanentes para los aportes de otoño y comienzos de invierno. Se utiliza en dosis importantes; un estercolado medio supone 30 t/ha, pero a menudo se utilizan dosis mayores, 40-45 t/ha, cuando se busca mejorar el suelo. De acuerdo con las cifras medias de su composición, un estercolado de 30 toneladas supone un aporte por hectárea de 120 kg de nitrógeno, 75 kg de anhídrido fosfórico y 165 kg de óxido de potasio. Por tanto, puede decirse que el estiércol es a la vez una enmienda y un abono. En clima seco el aporte debe realizarse dos meses antes de la siembra y en caso de que sea húmedo, tres meses antes. En suelos arcillosos se debe aplicar estiércol muy hecho y con bastante anticipación a la siembra, mientras que si son arenosos puede ser menos elaborado y las estercola-

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duras serán mas frecuentes y en menor cantidad. Los aportes en suelos calizos deben ser frecuentes y débiles, y en suelos ácidos se ha de realizar una enmienda caliza que active y favorezca la descomposición de la materia orgánica. El sistema más adecuado de conversión energética es la digestión anaerobia y posterior compostaje del sólido digestado.

ALTERNATIVAS PARA EL USO DE LA GALLINAZA Y LA PALOMINA La gallinaza está compuesta por las deyecciones de las aves de corral, junto con el material usado en las camas y, a veces, cal en pequeña proporción (esta se utiliza sobre el piso para mantener unas condiciones sanitarias permisibles en los corrales). La palomina procede del excremento de las palomas, siendo ambos abonos muy estimados por su elevado contenido en elementos fertilizantes. La gallinaza fresca es muy agresiva a causa de su elevada concentración en nitrógeno. En el caso de usarla como fertilizante y para mejorar el producto conviene que se composte en pilas (al igual que la palomina). Con más razón se compostará si procede de granjas intensivas, mezclándose con otros materiales orgánicos que equilibren la mezcla, enriqueciéndolo si fuera necesario con fósforo y potasio naturales. Ciertos autores aconsejan rechazar el estiércol procedente de la cría industrial de pollos y gallinas debido a que, frecuentemente, contiene residuos de antibióticos. El sector avícola en nuestro país supone algo más del 10% de la producción final de la ganadería nacional. España cuenta en la actualidad con más de 6.500 cebaderos de aves cuya producción alcanza la cifra de 550 millones de unidades al año. Además, no hay que olvidar las cifras aportadas por la avicultura, que sitúan un número medio de aves ponedoras en cuarenta millones al año. La generación de residuos se estima en 150 g de residuo por gallina y día. Estos datos confirman la existencia de un problema grave de contaminación, ya que la generación de millones de toneladas de gallinaza presenta un importante problema medioambiental debido a su alto nivel de concentración. Si bien estos pueden utilizarse directamente como abonos debido a su alto contenido en nitrógeno, fósforo, un exce-

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sivo vertido de los mismos puede ocasionar importantes riesgos de contaminación, produciendo efectos negativos en el entorno que es utilizado. Respecto a la composición de la gallinaza, es una tarea realmente complicada debido a la variabilidad con la que se pueden presentar los residuos de excrementos de animales. En primer lugar, influirá el tipo de animal, pero además lo hará el tipo de alimentación del mismo, así como su edad, el clima, etc. Gran parte del nitrógeno, fósforo y potasio que son ingeridos por los animales estarán presentes en sus residuos. Para el porcino estos valores son del 76%, 83% y 86%, respectivamente. De esta forma se hace referencia a la capacidad digestiva del animal, ya que en caso de aparecer el 100% del elemento en el residuo se podrá asumir que nada es retenido y, por tanto, asimilado. En la gallinaza este fenómeno es agudo. Los valores para el N, P y K son de alrededor de 81%, 88% y 95%, respectivamente, lo que indica claramente el pobre rendimiento digestivo de estos animales. El contenido en humedad es variable según la explotación y el tipo de cama. Sin embargo valores del 20% se aceptan como normales. Tiene un contenido en azufre superior al 1%, lo que supone que, en caso de valorización energética va a dar lugar a gases ácidos. En caso de apilamiento del residuo se transforma en ácido sulfhídrico, debido a las transformaciones anaerobias, tal como acontece en los criaderos. El mayor problema es, sin duda, el olor. La gallinaza fresca contiene una serie de compuestos (tales como el H2S y algunos compuestos orgánicos) que causan un verdadero perjuicio a las personas que habitan en las proximidades. Más genéricos son los problemas que los residuos de gallinaza producen en el medio ambiente. Estos efectos se dividen en tres bloques: los causados a la atmósfera, los ocasionados a los suelos y, finalmente, los causados a las aguas. • •

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Atmósfera: malos olores, gases asfixiantes, gases irritantes, desnitrificación, aerosoles. Suelo: variación de pH, efectos depresivos, salinidad, metales pesados, patógenos, exceso de nitratos y nitritos, retención de agua. Aguas: lixiviación, carga orgánica, eutrofización, patógenos y fecales.

En un periodo en el que la búsqueda de alternativas energéticas ocupa un papel protagonista en las políticas globales de los estados industrializados, es preciso encontrar soluciones que sean capaces de integrar las nuevas tecnologías con las necesidades en busca del correcto camino hacia el desarrollo sostenible. La gallinaza tiene un poder calorífico del orden de 13,5 MJ/t (3.200 kcal/kg). Es decir, un PCI nada despreciable que induce a la valorización energética. El proceso de valorización energética de la gallinaza más conocido consiste en un ciclo simple de vapor, ciclo Rankine, constituido básicamente por una caldera de combustión equipada con parrilla y un grupo turboalternador de vapor a condensación. La energía química contenida en el residuo se convierte en energía térmica mediante su combustión. El calor generado a partir de la combustión del residuo será transferido a un fluido agua-vapor, de forma que se calienta el agua, se evapora y se sobrecalienta el vapor generado. Este vapor sobrecalentado a alta presión será inyectado a una turbina de vapor donde su expansión provocará la transformación de la energía térmica en energía mecánica que hace mover de forma circular los álabes de una turbina, que transforma a su vez esta en electricidad. En este sistema es necesario disponer de un foco frío o condensador que puede ser por medio de aerorrefrigeradores, o a través de una torre de refrigeración de tipo forzado. En Suffolk (Reino Unido) se construyó una planta que trata 130.000 t/año de gallinaza y genera 12,7 MW de electricidad. En el mismo país se ha construido, en 1995, otra planta que genera 13,5 MW (Glanford) y en Thetford otra mayor de 38,5 MW de potencia eléctrica, con un rendimiento, aproximado, de 1MW(e)/t de gallinaza. Es decir, se consigue un rendimiento muy similar al obtenido con una biomasa forestal seca.

EL PROBLEMA DE LOS PURINES En la ganadería intensiva, los animales se acostumbran a estabular sobre suelos emparrillados (slats) sin cama. Este sistema permite la acumulación de las deyecciones (heces y orina) en fosas debajo de los emparrillados a medida que son generadas, junto con una cantidad variable de agua,


para su posterior gestión. A los residuos obtenidos en estas instalaciones se les denomina purines y su manejo, a diferencia del estiércol, puede asimilarse al de un líquido. La composición de los purines es muy variable, dependiendo entre otros factores de: la especie animal, su estado fisiológico, la alimentación, el sistema de manejo, la gestión del agua, el sistema de limpieza o la época del año. El suelo no es un vertedero, sino un valor patrimonial a conservar y, en su caso, mejorar. Este principio básico implica que al suelo no se deben aplicar residuos, sino productos de calidad. Así pues, el objetivo de un tratamiento debe ser la modificación de las características del residuo para su adecuación a la demanda como producto de calidad. No existe un tratamiento único, aplicable de forma universal a los purines. La idoneidad de un tratamiento dependerá de cada zona geográfica, de las necesidades que hayan puesto de manifiesto los estudios preliminares del plan de gestión, de la calidad del producto final obtenido y de los costes económicos asociados. En todo caso, el objetivo básico que se debe perseguir es el de aumentar la capacidad de gestión sobre el residuo. Los objetivos particulares pueden ser: • • • • •

Adecuar en el tiempo la producción de residuos y las necesidades de los cultivos. Transportar fuera de la zona de aplicación del plan de gestión. Valorizar económicamente el residuo. Adecuar la composición a los requerimientos del entorno (suelo, cultivos, aire…). Extraer y recuperar nutrientes valorizables (nitrógeno y fósforo).

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Higienizar (reducir o eliminar patógenos). Producir energía. Aislar, en caso de no ser posible la valorización agronómica, previa estabilización y/o aprovechamiento energético.

El proceso de digestión anaerobia aplicado a purines ha demostrado, a lo largo de las últimas décadas, su viabilidad técnica y versatilidad para adaptarse a diferentes condiciones de trabajo. En este sentido, existen experiencias de grandes instalaciones de gestión centralizada, plantas en granjas individuales, instalaciones sencillas de recuperación de gas en balsas cubiertas, tratando la fracción líquida o bien la fracción sólida. Se trata de uno de los procesos más idóneos para la reducción de emisiones gaseosas de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos orgánicos, su higienización y el mantenimiento del valor fertilizante de los productos tratados, aunque por sí sola no permite resolver un problema de excedente de nutrientes. El sector porcino español genera anualmente 40 millones de toneladas de purines, de los que alrededor de cinco millones son excedentes que causan problemas medioambientales, como exceso de nutrientes (nitratos, fósforo y potasio) y contaminación por nitratos de las aguas continentales en las zonas vulnerables. Oficialmente, la cabaña porcina española asciende a 21,5 millones de animales. En Dinamarca la desproporción es muy acusada: 13 millones de cerdos por 5,5 millones de habitantes. Cada uno de ellos genera, de media, 7 litros de purín por día.

Combustibles líquidos a partir de biomasa

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LOS COMBUSTIBLES DE SEGUNDA GENERACIÓN TIENEN UN FUTURO ASEGURADO •

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La producción de biocarburantes a partir de biomasa ha sido y seguirá siendo motivo de controversia mientras se extraigan de los mismos cultivos que emplea el hombre para su alimentación. Para la producción de 1.005 kilos de biodiesel son necesarios 110 kilos de metanol, 15 de catalizador y mil de aceite, además de 4,29 metros cúbicos de agua. Este procedimiento genera, además, cien kilos de glicerina como subproducto operando a una temperatura de 70ºC. La producción de biocultivos precisan gran cantidad de agua, pero la obtención del biocarburante también. El precio real al consumidor depende, básicamente, de la cotización internacional del aceite y del cereal, y de la política fiscal. Demasiadas incertidumbres. Las principales fuentes utilizadas, en países europeos, para la obtención de aceites son la colza y el girasol. Ambas son plantas oleoginosas que contienen gran cantidad de aceites y son cosechados anualmente. Se desarrollan otras especies para la producción de bioaceites, mediante la selección de variedades con mayor productividad de aceite y menor costo de producción, como el cardo (Cynara cardunculus L.) ya que posee una alta concentración de aceite y es un cultivo perenne con lo que se disminuyen sustancialmente los requerimientos de establecimiento de la plantación. Otro de los cultivos que se está potenciando es la jatrofa, arbusto originario de Asia que se da bien en terrenos semiáridos que requieren poco agua El DME (dimetil éster) se perfila como sustituto del gasóleo. Se puede obtener a partir de residuos lignocelulósicos y es, por tanto, un combustible de segunda generación. En Brasil, primer país del mundo en la utilización del etanol procedente de la caña de azúcar, se han desarrollado los motores “flex” capaces de funcionar con cualquier relación de gasolina y alcohol. Una mezcla de etanol del 10% en volumen (E10), que se llama gasohol, puede aumentar el número de octano en dos a tres puntos, proporcionando un valor añadido a las gasolinas de medio a bajo número de octano. El límite máximo de etanol en Europa está limitado por la especificación del contenido en oxígeno de 2,7%, que supone limitar el uso del etanol al 7,8%. No se proporciona ninguna excepción para la mezcla de etanol por encima del 7.8%. En algunos países europeos se utiliza normalmente una mezcla del 5% de etanol.

782 •

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Se está trabajando mucho en la optimización del metanol como combustible, en los llamados flexible fuel vehicles, la contaminación es mínima pero hay que mejorar aspectos de corrosión en los motores. Las pilas de combustible de metanol directo (DMFC) oxidan el metanol sin necesidad de reformador y su desarrollo concita esperanzas. Por ahora su rendimiento es bajo, del orden del 20%. El etanol es uno de los biocarburantes idóneos para la pila de combustible. El etanol no tiene los inconvenientes del metanol y un pequeño catalizador a bordo permite obtener hidrógeno para la pila. El calentamiento de celulosa a altas temperaturas y rápido enfriamiento proporciona un líquido de características muy similares a la actual gasolina, que los investigadores han denominado “gasolina verde”. El hongo Gliocladium roseun, que vive en los árboles ulmo, son capaces de producir un biodiesel a partir de la celulosa, denominado “mico diesel” que con los avances tecnológicos de la fermentación y la manipulación genética, auguran un gran futuro. Las grandes cantidades de biomasa disponibles harán incrementar la instalación de plantas de valorización energética. La mayor parte de las líneas de investigación se encaminan a la obtención de biocarburantes a partir de la gasificación. El fomento de la producción de biomasa para uso energético y las tecnologías de valorización de residuos permite el desarrollo de una nueva actividad en las áreas rurales. Por ejemplo, la construcción de plantas de generación de electricidad a partir de estiércoles o gallinaza. La mayoría de las aplicaciones térmicas en edificios o redes centralizadas de calor (y frío) a partir de biomasa generan un ahorro en el consumo de energía superior al 10%. De acuerdo con lo expuesto por el Comité de las Regiones en su dictamen sobre el Libro Blanco de las Energías Renovables, a igual potencia instalada se crean hasta cinco veces más puestos de trabajo con energías renovables que con combustibles convencionales.

Introducción La producción de biocombustibles líquidos permite la utilización de la energía proveniente de los residuos agrícolas y forestales en el abastecimiento de motores a combustión, sustituyendo parte importante de los carburantes fósiles utilizados en la actualidad. La Directiva de biocombustibles 2003/30/EC de 8 de mayo de 2003, referente a la promoción del uso de biocombustibles para el transporte, establece el objetivo del 5,83% de biocarburantes en el sector del transporte en 2010, lo que supondría un consumo de 1.900 ktep. La capacidad de producción a 31 de diciembre de 2008, según APPA, era de 2.070.000 t (1.860 ktep) de biodiesel y 456.000 t (291 ktep) de biotenol. Sin embargo, siguiendo la progresión de producción, solo se esperaba producir unas 520.000 t de biodiesel en 2008, y en 2009

la mitad de las 36 plantas de producción estaban paradas y las restantes al ralentí, parece que los objetivos marcados, en el caso de España, serán difíciles de cumplir. La crisis económica y los problemas asociados a estos carburantes han desembocado en la modificación del Reglamento donde se mantiene, para 2010, un mínimo de biocarburantes del 3,9% tanto para el alcohol como para el biodiesel. Sus principales beneficios se asocian a la alternativa de los combustibles fósiles en un sector de la economía especialmente dependiente de estos productos, contribuyendo de esta forma a la disminución de los gases de efecto invernadero. Es importante recalcar los beneficios sociales asociados al establecimiento de una industria de biocombustibles líquidos y el cultivo de especies que abastez-


can dicho mercado, ya que se produce un incentivo a la producción agrícola, sobre todo en países en vías de desarrollo dependientes de mercados externos donde una de las principales fuentes de empleo se ubica en los sectores rurales, disminuyendo además la dependencia energética de los sectores de consumo de petróleo. Según la definición de biodiesel de la ASTM1, dada en la Parte III, el biodiesel son ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables o grasas animales, y que se emplean en motores diesel o en calderas. El biodiesel se obtiene a partir de cultivos convencionales de oleaginosas, girasol y colza mayoritariamente pues son los cultivos más extendidos de la UE, pero se puede producir también a partir de otras especies, como la soja o la palma. Los biodiesel son metilésteres obtenidos de los aceites vegetales mediante reacción de transesterificación con metanol, por lo que el uso de biometanol para este proceso mejoraría el balance ambiental del biodiesel. El biocarburante más utilizado es el éster metílico, obtenido a partir del aceite de colza. El biodiesel ofrece diversas posibilidades de mezclas para la obtención de biocombustibles con los siguientes nombres y propiedades: •

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B20: el biocombustible B20 significa una mezcla del 20% de biodiesel y el 80% de gasóleo. El B20 es la mezcla de biodiesel más utilizada en EE UU y en otros países se comercializa con amplia aceptación tanto el B20 como el B100. B100: el biocombustible B100 significa biodiesel al 100% sin mezcla alguna con diesel de origen fósil. Es un producto 100% ecológico con altas reducciones de emisiones nocivas a la atmósfera. Sin embargo, en los motores de vehículos antiguos (modelos previos a 1994) es preciso reemplazar los conductos de goma del circuito del combustible por otros de materiales, debido a que el biodiesel ataca a la goma (aunque hay varios estudios que indican que no es necesaria ninguna modificación en los motores).

1 ASTM: American Society for Testing and Materials.

•

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Otras mezclas: en España, en la actualidad, hay ya diversas marcas y distribuidores que ofrecen biodiesel con mezclas que se acercan a los estándares internacionales de B20 y B100. Se espera una nueva regulación que marque la proporción de las mezclas y que se adapte a los estándares internacionales de B20 y B100 para que el consumidor conozca exactamente qué tipo de biodiesel está utilizando en su motor.

Para la producción de 1.005 kg de biodiesel son necesarios 110 kg de metanol, 15 de catalizador y 1.000 de aceite, además de 4,29 m3 de agua. Este procedimiento genera, además, 100 kg de glicerina como subproducto operando a una temperatura de 70 ºC. Otro de los aspectos básicos de los biocombustibles es su materia prima, ya que al provenir de los cultivos energéticos y restos agrícolas, todos los sectores relacionados con la agricultura se verán beneficiados de forma significativa. Estudios y pruebas de laboratorio han demostrado que el CO2 puede transformarse en combustible líquido, separando el átomo de carbono presente en el mismo y combinándolo después con un átomo de hidrógeno, pero este proceso precisa elevadas temperaturas y presiones, lo que supone un elevado gasto energético. Sin embargo, Carbon Sciences, una de las empresas que desarrollan dichos estudios, ha diseñado un método para obtención de combustible a partir de CO2 a bajas temperaturas y presiones, basado en el uso de enzimas y bacterias reutilizables como catalizadores para la extracción del monóxido de carbono del CO2 y el hidrógeno del agua. La mezcla del carbono y el hidrógeno así obtenido puede refinarse para la producir gasolina y keroseno a precios competitivos, por ello la empresa se propone vender este sistema a refinerías de petróleo, que emiten grandes cantidades de CO2, y cuentan con infraestructura para la producción de combustible, así como a fabricantes de hormigón y centrales térmicas de carbón. Otras compañías (Sandia lab o Morphic) han desarrollado métodos para transformar el CO2 en combustible basados en el uso de la energía solar y la eólica.

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Aceites vegetales Los aceites de origen vegetal pueden clasificarse en términos generales, en tres tipos: •

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Aceite bruto: obtenido por medio de técnicas industriales, como el prensado o mediante la extracción por disolventes. Aceite refinado: aceite sometido a procesos de limpieza o procesamientos posteriores, para la mejora de su calidad. Aceite esterificado: resultado de la reacción química entre el aceite vegetal y un alcohol, que generalmente es el metanol, generando un aceite con mejores características para su uso con fines energéticos.

Los bioaceites o aceites vegetales pueden utilizarse con alta eficiencia en motores de combustión de inyección indirecta, ya que son más viscosos que el gasóleo tradicional. Además pueden sustituir parcialmente al gasóleo en vehículos tradicionales, con lo que se facilita su uso. Actualmente los bioaceites son sometidos a un proceso de esterificación, con lo que se hidrolizan los enlaces éster de los triglicéridos, se libera glicerina y cadenas de los ácidos grasos, que reaccionan posteriormente con un alcohol formando moléculas lineales, que son mucho menos viscosas y por lo tanto facilitan su uso. Este tipo de carburante se denomina biodiesel. Es de vital importancia conocer la presencia de ácidos grasos no saturados, ya que provocan inestabilidad en la reacción y además generan residuos que se depositan en inyectores, dificultando el paso del combustible y provocando que la combustión sea incompleta y se produzca un aumento de gases de combustión.

Desde el punto de vista de la eficiencia, la utilización de bioaceites conduce a rendimientos ligeramente inferiores que los combustibles fósiles tradicionales, por lo que hay factores de diseño de los motores que deben ser mejorados para aumentar la eficiencia. La esterificación del aceite puro permite solucionar una gran parte de los problemas que surgen al utilizarlo como combustible líquido. Otra opción consiste en calentar el aceite vegetal puro para disminuir la viscosidad, de manera que los problemas asociados a esta característica permitan mejorar las prestaciones del combustible. La mezcla del aceite puro con gasóleo se puede hacer sin ningún tipo de modificación a los procesos, y es un sistema utilizado en la actualidad en países como Alemania, sin inconvenientes. La Tabla 45.1 muestra las características más importantes del bioaceite, comparado con un combustible fósil. Los antecedentes permiten establecer que el uso de aceites es una posibilidad real para la sustitución de los combustibles fósiles en los motores de automoción, pero hay consideraciones económicas que deben tenerse en cuenta, ya que el precio de los aceites vegetales se ha incrementado en los últimos años, además de los costos necesarios para el proceso de esterificación. La internalización de los beneficios ambientales asociados a estas tecnologías es una de las opciones que deben evaluarse para permitir la rentabilización de estos proyectos.

PROCESO DE ESTERIFICACIÓN El proceso de esterificación es el mecanismo mediante el cual se lleva a cabo la transformación

Tabla 45.1. Comparación de las características del biodiesel con gas-oil (Adaptación a partir de De Juana 2004 y Camps, 2002). Características

Éster metílico de colza

Aceite de colza

Gas-oil Europa

0,880

0,916

0,835

7,5

31,8

4,0

PCI (kJ/kg)

33.100

34.300

35.000

Azufre % en peso

0,002

0,0001

0,2

Número de cetano

47,8

32/36

51

Densidad a 20 ºC, kg/l Viscosidad 20 ºC cSt

785


de los aceites vegetales para la producción del biodiesel. El aceite es un éster, que se hace reaccionar con un alcohol, usualmente metanol, obteniendo como productos la glicerina y moléculas lineales formadas por los ésteres de los ácidos grasos con el alcohol, que al utilizar metanol se convierte en un metiléster. El proceso es sencillo, necesitándose un catalizador para impulsar la reacción, que generalmente es el hidróxido potásico.

un gran volumen de glicerol residual. Por ello es interesante plantear investigaciones tendentes a desarrollar motores que utilicen directamente el aceite, prescindiendo del proceso de esterificación. La productividad promedio de algunos de los cultivos más utilizados se presenta en la Tabla 45.2 procedente de diversas fuentes, especialmente de Argentina (para la conversión de kilógramos a litros se toma un factor de 0,93), la palma es la más productiva de todas. Desde el punto de vista ambiental hay que tener en cuenta que la gran mayoría de estos cultivos se realizan en países tropicales o semitropicales. Muchas veces se esterifican en origen y dejan los subproductos, empezando por el propio vegetal y siguiendo por la glicerina in situ, lo que provoca grandes problemas ambientales.

CULTIVOS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOACEITES Las principales fuentes utilizadas en países europeos para la obtención de aceites son la colza y el girasol. Ambas son plantas oleaginosas que contienen gran cantidad de aceites y son cosechados anualmente. Se desarrollan en la actualidad numerosas investigaciones para incorporar otras especies a la producción de bioaceites, mediante la selección de variedades con mayor productividad de aceite y menor costo de producción. En este sentido uno de los cultivos que se está desarrollando es el cardo (Cynara cardunculus L.) ya que posee una alta concentración de aceite y es un cultivo perenne, con lo que se disminuyen sustancialmente los requerimientos de plantación. Otro de los cultivos que se está potenciando es la jatrofa, arbusto originario de Asia que se da bien en terrenos semiáridos que requieren poco agua. Además, la semilla no es comestible, con lo que no se entra en competencia con la alimentación humana. El único inconveniente en la producción de los aceites, es la necesidad del proceso de esterificación, ya que aumentan los costos y requiere de instalaciones industriales, con la producción de

DME El dimetil éster, es el éster más sencillo y es inocuo para el medio ambiente. Actualmente se usa principalmente como propelente y se perfila como uno de los combustibles perfectos para sustituir al diesel en motores de combustión interna cambiando el sistema de inyección. Es un gas a temperatura ambiente que licua a -25 ºC y puede ser fácilmente almacenado en tanques a presión y usar la infraestructura propia de los GLP, y además tiene un mayor índice de cetano que el gasoil y el metanol. Su combustión no produce carbonilla, SO2 y poco NOx. Esto lo convierte en un perfecto sustituto para el gas natural en turbinas, cocinas y hornos industriales. Se obtiene a partir de la deshidratación del metanol, por lo que puede producirse a partir de diferentes fuentes, fósiles como carbón o gas natural, o biomasa. El carbón y la biomasa se

Tabla 45.2. Productividad de aceites en diferentes cultivos. Cultivo Cocotero

Rendimiento kg/ha

% aceite en semilla

Kg aceite/ha

L aceite/ha

+ a biodiesel

L biodiesel/ha

19.200

14%

2.728

2.935

0,96

2.820

Jatrofa

4.000

30%

1.200

1.290

0,96

1.240

Tártago

2.300

45%

1.035

1.115

0,96

1.070

Girasol

1.400

45%

630

680

0,96

650

Colza

1.500

40%

600

654

0,96

619

Soja

2.800

18%

504

540

0,96

520

Cártamo

1.000

35%

350

375

0,96

360

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gasifican para obtener el gas de síntesis a partir del que se produce el metanol. El DME, aunque no para uso común en vehículos, está teniendo mucha aceptación como vector energético equivalente al GLP, especialmente en países emergentes con grandes reservas de carbón

o gas, como China o Irán, que desean evitar el exceso de contaminación sin modificar sus usos habituales. El DME a partir de la gasificación de residuos o de productos lignocelolúsicos, deviene un combustible de segunda generación.

Alcoholes España es líder europeo en producción de bioetanol, con una capacidad de 456.000 toneladas a finales del 2008, representando un importante aumento, pues en 2004 ya existía una capacidad de 194.000 toneladas. Se obtiene a partir de cultivos tradicionales, como cereales (trigo, cebada, maíz), caña de azúcar y remolacha. Esto se debe al contenido en hidratos de carbono de estas plantas, que permite hacer una fermentación alcohólica con la que obtener etanol. Se puede utilizar etanol directamente en motores cuando estos han sido especialmente adaptados. En caso contrario se realizan mezclas con gasolinas convencionales a un máximo del 5-10% en zonas frías y templadas y no más del 20% en zonas cálidas. Para poder realizar esta mezcla y utilizar motores convencionales, el etanol no debe tener ningún contenido en agua. El objetivo en la UE es que el bioetanol pueda mezclarse en un 3-4% en el volumen actual de consumo de gasolina sin plomo. Actualmente el bioetanol se utiliza para elaborar ETBE (etil-ter-butil éter), ya comentado en la Parte III, aditivo para la gasolina que, al igual que el etanol, aumenta el índice octano, es decir, la explosividad de la gasolina y por tanto la facilidad para su ignición. ETBE es un producto que realiza la misma función que el aditivo MTBE (metil ter-butil éter). Su empleo puede ser puro, o bien en mezclas de entre 5 y 10% con gasolina normal, alcanzando incluso un 20% de sustitución en Brasil, donde se han introducido los denominados motores flex, que indistintamente utilizan cualquier proporción de gasolina y alcohol. En el caso de alcohol puro se requiere de motores especiales, los cuales precisan una serie de adecuaciones para permitir la combustión del alcohol, principalmente por la mayor presión que deben soportar las válvulas, al poseer una mayor

relación de compresión, además de la utilización de materiales que no sean atacados por el alcohol. La obtención del alcohol de forma industrial se puede realizar a partir de tres sustratos diferentes: •

•

•

Biomasa azucarada, es decir, que contenga azúcares, por ejemplo glucosa, sacarosa o fructosa, como los cultivos de caña de azúcar o sorgo. Biomasa almidonada, con polisacáridos de tipo almidón, como por ejemplo la proveniente de cereales o tubérculos. Biomasa celulósica, a través del fraccionamiento de lignocelulosa, como por ejemplo la madera.

Los tres sustratos siguen un proceso similar, una fermentación inicial que permite la obtención de un alcohol de baja graduación alcohólica, y luego una destilación para concentrar el alcohol. El método más sencillo es la conversión a partir de biomasa azucarada, de donde se extrae fácilmente un jugo rico en azúcares, que es fermentado hasta obtener un alcohol de bajo grado alcohólico, con un alto contenido de agua, lo cual lo hace inadecuado para su uso como combustible. En el caso del sustrato almidonado es necesario convertir primeramente el almidón en azúcar, operación que hace más larga la síntesis completa (este proceso se realiza a través de una hidrólisis convencional). En el caso de biomasa celulósica, la síntesis se lleva a cabo por medio de una hidrólisis fuerte, que permite la obtención de un sustrato fermentable. El proceso a partir de la glucosa es el que sigue: 1. Fermentación

Cuya expresión química simplificada se reduce a la siguiente fórmula: C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2


Esta fermentación se realiza mediante la adición de levaduras, a una temperatura de entre 29 y 35 ºC a una presión de 48 a 72 bares. A partir de 100 g de glucosa se obtienen 51,1 g de etanol y 48,8 g de CO2. Actualmente el proceso de fermentación se realiza en fermentadores anaerobios continuos. 2. Destilación

El subproducto generado en la etapa anterior, con un grado alcohólico de entre 10 y 15º, se concentra hasta obtener un alcohol denominado alcohol deshidratado, con un 4 a 5% de agua, o bien se puede llegar a un producto denominado alcohol absoluto, que posee una cantidad menor al 0,5% de agua. Una alternativa para la transformación de la lignocelulosa es la gasificación, que es explicada en otro apartado, obteniéndose un gas a partir del cual es posible sintetizar otros combustibles, incluido el etanol. El metanol es el otro alcohol importante con potencial de ser empleado a gran escala. Por sus características el metanol ofrece mayor eficiencia en la combustión que la gasolina y permite sistemas de refrigeración por aire, mucho más ligeros, sobre todo en motores específicamente diseñados (no los flexible fuel vehicles). También al ser un compuesto químico prácticamente puro y muy volátil reduce las emisiones contaminantes de inquemados (velocidad de llama elevada), partículas, N y S prácticamente a cero. Los inconvenientes del metanol se deben a sus características de miscibilidad en agua a cualquier proporción puesto que es muy dipolar (no así el etanol) y por tanto ácidos, bases y sales se encuentran fácilmente solubilizadas pudiendo ocasionar problemas de corrosión en metales como el aluminio o el zinc. Asimismo no es compatible con muchos de los elementos de goma usados en la maquinaria de transporte y distribución de gasolina, por lo que se necesitaría adaptarlos, aunque esto no parece un problema económico considerable. Al no tener compuestos altamente volátiles como la gasolina puede dar problemas de arranque de motor en climas fríos, pero el uso de la mezcla M85 (85% metanol, 15% gasolina) es suficiente, o bien adaptar los dispositivos para micronizar el metanol en el arranque.

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El metanol es principalmente una materia prima para la industria química y se produce en grandes cantidades, en el año 2004 se produjeron 32 millones de toneladas, el 70% de las cuales se destinó a la fabricación de formaldehído (38%), metil tertbutil éter MTBE (20%) y ácido acético (11%). El MTBE se utiliza como aditivo oxigenado para aumentar el octanaje de las gasolinas sin plomo en sustitución de las sales de plomo, aunque por cuestiones de contaminación del suelo se tiende a sustituir por etanol directamente y ETBE (etil tert-butil éter). La importancia del metanol como carburante en la actualidad está ligada a la producción de H2, que en el futuro podría constituir un carburante clave para utilizar en pilas de combustible, aspecto visto en la Parte III. Actualmente el uso de H2 en el transporte está siendo intensamente estudiado pero no supone una opción comercial todavía y por tanto no está contemplado en los planes de promoción de biocombustibles. Como fuente para la obtención de hidrógeno, el metanol, debido a la ausencia de enlaces C-C (presente en el etanol), resulta el compuesto idóneo para las opciones de reformado (obtención de H2 y CO) “a bordo” de los vehículos. El reformador es un dispositivo que extrae el H2 del metanol, o de cualquier otro combustible, mediante un proceso de craqueo. En este el hidrocarburo y el aire son calentados a elevadas temperaturas, en presencia o no de catalizadores, para crear un gas de síntesis formado por H2 y CO. Este gas se hace reaccionar con vapor de agua, con lo que se genera más H2. El oxígeno del agua se combina con el CO y forma CO2 y H2. Como complemento a la exposición de la Parte III, se pueden considerar diversos tipos de reformadores: •

Las pilas de metanol directo (DMFC) oxidan el metanol sin necesidad de un reformador. El metanol líquido es el combustible que se oxida directamente en el ánodo. Como funciona a baja temperatura, 80 ºC, precisa un catalizador, de platino, que recubre los electrodos. El rendimiento máximo de energía se logra cuando el carbono y el oxígeno se convierten en CO2. Sin embargo el ratio de transformación es bajo ya que

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•

•


una parte del hidrógeno se pierde. La pila de combustible DMFC, en conjunto, tiene hoy por hoy un rendimiento del 20%. Por esto, se aplica básicamente a elementos móviles. Otros reformadores, que necesitan 250-350 ºC están en fase de prototipo, investigación y mejora, ya que para aplicaciones móviles con pilas de combustible de membrana de polielectrolito (PEMFC) es necesario generar la temperatura necesaria para el reformado y porque a temperaturas menores de 100 ºC como las que operan las PEMFC el CO es un veneno en concentraciones superiores a 100 ppm. El reformado de otros hidrocarburos, como gasolina o gas natural requiere alrededor de 600 ºC. El reformado de metanol es también una opción para realizarlo in situ en las estaciones de servicio y poder llenar los tanques de H2 de los vehículos.

Una mezcla de etanol del 10% en volumen (E10), que se llama gasohol, puede aumentar el número de octano en dos a tres puntos, proporcionando un valor añadido a las gasolinas de medio a bajo número de octano. El etanol carburante puede utilizarse también, como el E85, una mezcla del 85% de etanol y del 15% de gasolina. El E85 se utiliza en “vehículos flexibles de combustible” (FFV) diseñados específicamente para el consumo de este tipo de combustible. Sin embargo, el límite máximo de etanol en Europa está limitado por la especificación del contenido en oxígeno de 2,7%, que supone limitar el uso del etanol al 7,8%. No se proporciona ninguna excepción para la mezcla de etanol por encima del 7,8%. En algunos países europeos se utiliza normalmente una mezcla del 5% de etanol. Las refinerías y los fabricantes de coches europeos prefieren el ETBE en vez del etanol como aditivo oxigenante renovable. Los vehículos de carburante flexible FFV (flexible fuel vehicle) son automóviles o camiones ligeros especialmente diseñados con la capacidad de funcionar con múltiples mezclas de carburantes. Sensores especiales pueden determinar la mezcla de carburantes y ajustar automáticamente la sincronización de ignición del motor y los coeficientes aire/

combustible. El FFV puede utilizar los carburantes con cualquier relación de gasolina y alcohol, o utilizar la gasolina normal directamente. Uno de los nuevos mercados para el etanol son las pilas de combustible que convierten la energía química del etanol directamente en energía eléctrica para proporcionar una fuente de energía limpia y altamente eficiente. Una pila de combustible trabaja de forma semejante a las pilas tradicionales, pero pueden funcionar continuamente mientras se suministre el combustible y pueden obtener una eficacia del 40 a 50% en la conversión de la energía del combustible en energía útil, comparada con la eficacia aproximadamente del 18% para el motor de combustión interna medio. Además de alta eficacia, otras ventajas del uso de la pila de combustible en el sector del transporte son una enorme disminución de emisiones, un menor mantenimiento del vehículo y una capacidad para alcanzar hasta los 120 km/litro. La pila de combustible se podría utilizar finalmente para suministrar energía a los hogares, a los vehículos y a los pequeños electrodomésticos. El etanol también es uno de los combustibles idóneos para una pila de combustible. Además de que procede de recursos renovables, el etanol purificado puede solucionar el problema principal de la contaminación de la membrana y de la desactivación del catalizador dentro de la pila de combustible, que limita su esperanza de vida. En 2008, miembros del CSIC y del Instituto de Ciencias de Materiales de la UA de Barcelona y de la UPC, desarrollaron con éxito un catalizador de cerámica porosa en cuyo interior se aloja un gel que contiene nanopartículas de cobalto y trabaja a 310 ºC. El resultado es la transformación del etanol en hidrógeno. Ello permite obtener el hidrógeno a bordo del propio vehículo para alimentar a la pila de combustible La mezcla etanol-diesel, mejor conocido como E-diesel, contiene etanol hasta 15%, diesel y los añadidos. Comparado con el diesel normal, el EDiesel reduce perceptiblemente las emisiones de partículas y otros contaminantes, y mejora las características del arranque en frío. Está actualmente en la etapa de desarrollo y no disponible comercialmente todavía. En la actualidad se está trabajando para eliminar las principales barreras técnicas y

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reguladoras para su comercialización. Estas barreras incluyen: 1) bajo punto de inflamación y volatilidad en el tanque, 2) posible inestabilidad de la microemulsión que evite que el etanol y el diesel se separen a bajas temperaturas, 3) carencia de los datos de pruebas reales para obtener la garantía del Original Equipment Manufacturer (OEM), y 4) un proceso costoso y largo que permita su registro de acuerdo con las normas sobre emisiones y la salud. El uso de E-diesel amplía aún más el mercado para las aplicaciones del etanol.

CULTIVOS UTILIZADOS PARA LA PRODUCCIÓN DE ALCOHOLES Existe una serie de cultivos agrícolas tradicionales que permiten la obtención de alcoholes para su utilización como combustible. Entre ellos la remolacha y la caña de azúcar son los que más ampliamente se han utilizado con estos fines. Existen además cultivos como cereales o el maíz que también poseen un potencial elevado para su transformación en biocombustibles. La remolacha posee en la actualidad un rendimiento medio de 60 toneladas por hectárea, de donde es posible obtener, aproximadamente, 6.000 litros de etanol. Una estimación general permite concluir que para la producción de un litro de etanol se requiere gastar un total de 4,22 Mcal de combustible primario. Los rendimientos de otros cultivos se muestran en la Tabla 45.3.

BIOALCOHOL DE CHUMBOS La EBT (Empresa de Base Tecnológica) almeriense Albaida Recursos Naturales y Medioambiente S.A y la Fundación Cajamar participan en el proyecto nacional; Investigación y Desarrollo

de Etanol para Automoción (I+DEA). La finalidad de este equipo de expertos reside en el estudio y ensayo de la viabilidad de dos cultivos adaptados a condiciones ambientales extremas, la chumbera y el tabaco arbóreo, para la producción de bioetanol en zonas semiáridas donde no existe competencia por la utilización de materias primas con finalidad alimenticia ni por las tierras de labranza. En concreto, la tarea de los científicos almerienses se materializa en el subproyecto “cultivos energéticos para la aplicación en tecnologías actuales de producción de bioetanol”, centrado en la investigación de alternativas para la producción de bioetanol en zonas semiáridas. En estas zonas, los expertos se ocupan del estudio y ensayo de la viabilidad de la chumbera (Opuntia ficus indica) y el tabaco arbóreo (Nicotiana glauca), dos especies perfectamente adaptadas a condiciones de extrema escasez hídrica y que, al mismo tiempo, posean una biomasa de gran interés energético debido al proceso de fermentación de su materia orgánica. Las plantaciones experimentales de tabaco arbóreo y de dos ecotipos diferentes de chumbera, una procedente del Valle del Andarax y la otra del Cabo de Gata, están siendo sometidas a tres regímenes de agua. Un cultivo natural, el cual dispone únicamente del agua de lluvia, y otros dos, donde se realiza un aporte de agua de carácter medio y alto, con el fin de analizar la variación de su crecimiento y producción de biomasa a partir del agua disponible. El objetivo final de este estudio, cuya conclusión definitiva está prevista EN 2012, es afinar en el conocimiento de la productividad de biomasa de ambas especies y las posibilidades de producción de bioetanol carburante sin interferir con la

Tabla 45.3. Rendimientos de etanol a partir de diferentes cultivos. Cultivo Remolacha Sorgo azucarero (tallos) Sorgo azucarero (grano) Trigo Maíz Caña de azúcar Madera Residuos de poda Patata (tubérculo)

Productividad del cultivo (toneladas/ha) 60 90 35 2,5 10 50 20 2,3-4,0 62,5

} &@! 6.000 6.000 3.000 877 3.700 3.500 3.200 700-1.200 5.000

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producción de alimentos, ya que estos cultivos podrían desarrollarse en superficies no dedicadas al cultivo de especies alimenticias. El modelo al que pretende dar lugar la explotación de ambos cultivos para la obtención de biocombustibles implica un cambio en el paradigma actual. Se trata de desarrollar plantas de destila-

ción a pequeña escala que operen de manera local, en lugar de funcionar como destilerías de gran tamaño y generalmente ubicadas en zonas portuarias que reciben suministros de regiones lejanas. Resulta, por tanto, un modelo de producción de combustible mucho más sostenible y con un especial potencial de desarrollo en nuestra región.

La gasificación, proceso termoquímico de combustión con defecto de oxígeno y cuya tecnología se comentará con más detalle en el próximo Capítulo 46, da lugar a un gas de síntesis que contiene, entre otros, CO y H2. El proceso de obtención de alcoholes a partir de la gasificación con vistas a fabricar biocarburantes, es mucho más efectivo que los procedentes de la síntesis de Fischer-Tropsch. A partir del gas de síntesis tratado y con ayuda de un catalizador se sintetiza el metanol, de acuerdo con la reacción: CO + H2 l CH3OH catalizador

En función del tipo de catalizador, son básicamente de Cu, Zn y alúmina, se obtiene una familia de alcoholes (denominados alcoholes superiores): metanol, etanol, propanol y butanol, siendo este último el más apreciado. A partir del metanol, son posibles diversas acciones: •

Obtención del hidrógeno: CH3OH l 3H2 + CO2. catalizador

•

El CO2 es fácil de capturar por medio de membranas.

•

Obtención del DME: 2CH3OH l CH3-O-CH2 + H2O. catalizador

El DME (dimetil éster) es un carburante con un número de cetano elevado y además la reacción permite recuperar agua. El metanol es la materia prima para producir formaldehído, una de cuyas principales aplicaciones, como cola, consiste en la fabricación de tableros aglomerados. También se emplea en la fabricación de los biodiesel, durante la reacción de esterificación. El biobutanol es un alcohol semejante al etanol que presenta las ventajas de tener menor presión de vapor y mayor tolerancia a la contaminación con agua que las mezclas con gasolinas, lo que facilita su distribución y almacenamiento. Se puede obtener a partir de las mismas materias primas que el bioetanol mediante la fermentación con la bacteria Clostridium acetobutylicum.

Combustibles a partir de la celulosa El uso de combustibles idénticos a los derivados del petróleo pero respetuosos con el medio ambiente está solo a un paso gracias a los avances logrados por un equipo de ingenieros estadounidenses, que han conseguido desarrollar la denominada gasolina verde, más barata y con menor huella de carbono que el ya comercializado etanol. De iguales características a la derivada del petróleo, este nuevo tipo de combustible se obtiene

calentando celulosa a altas temperaturas y posteriormente enfriándola, tras lo que surge un líquido de características muy similares a la gasolina utilizada actualmente. El líquido obtenido, en un proceso de tan solo dos minutos, supone la cuarta parte de componentes que contiene la gasolina, de forma que se podrá tratar para dar con el resto de componentes o se podrá utilizar tal como es para obtener una gasoli-


na de alto octanaje. Por ello, parece que todo son ventajas en torno a esta gasolina verde puesto que requiere mucha menos energía que la fabricación del etanol. En este sentido se puede esperar que los biocombustibles en el futuro sean muy similares en cuanto a composición química a la gasolina y diesel usados actualmente.

EL MICO-DIESEL Investigadores americanos de la Universidad de Montana (EE UU) han descubierto un hongo,

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denominado Glioclaudium roseum, que transforma la celulosa en un líquido semejante al diesel, de ahí el nombre de “mico diesel”. El hongo vive y se desarrolla en el interior de un árbol, el ulmo, que vive en la selva de la Patagonia. Existen numerosos microbios que generan gases compuestos de hidrocarburos. El hongo es particularmente productivo y los científicos creen que los adelantos tecnológicos en fermentación y manipulación genética pueden ayudar a producir en un próximo futuro un biocombustible eficiente.

Bio-oil a partir de la pirólisis de fangos Las empresas Isolux y Econotermia en colaboración con la Universidad de Alicante han desarrollado un proceso de pirólisis rápida de fangos de EDAR que permite la obtención de un bio-oil de excelente calidad equiparable al gasóleo. El fango de EDAR, una vez seco, se somete a un proceso de pirólisis “flash” a temperatura inferior a 500 ºC, con lo que se consigue una tasa de conversión a líquido muy elevada. Por otro lado, los metales, casi siempre presentes en este tipo de residuo, no se dispersan sino que permanecen en el char, desde donde son muy fáciles de controlar.

El bio-oil obtenido a partir de este tipo de residuos tiene las siguientes aplicaciones: •

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Permite ser usado directamente como combustible en quemadores para usos térmicos. Someterlo a un proceso de transesterificación y convertirlo en un carburante de automoción para motores diesel. Introducirlo en un motor de cogeneración para generar electricidad y calor.

Los biocarburantes. Sostenibilidad Actualmente, la mitad del consumo energético en Europa procede de la importación de combustibles fósiles. A tenor de la tendencia actual, más de dos tercios de nuestro consumo de energía procederán del exterior de la UE en el año 2030. Los combustibles fósiles, utilizados tanto en el sector de la energía como del transporte, son también la primera causa de las emisiones atmosféricas de CO2. El aumento de la producción y consumo de energías renovables es bastante inferior al aumento del suministro y consumo de energías convencionales. La Unión Europea firmó en 1997 el Protocolo de Kioto y se comprometió a reducir en un 8% las emisiones de gases de efecto invernadero en 2012, respecto a los niveles de emisión en 1990 (aunque la tendencia actual apunta hacia un aumento).

Desde entonces, la Unión Europea ha propugnado su ratificación en los principales foros internacionales. El 16 de febrero de 2005, el Protocolo de Kyoto entró en vigor. Apoyando aquel compromiso y con objeto de fomentar el debate público, la UE elaboró el Libro Verde hacia una estrategia europea de seguridad del abastecimiento energético (noviembre de 2000). Sus objetivos eran garantizar la seguridad del abastecimiento, disminuir el impacto medioambiental del uso y producción de energía, reducir la demanda energética mediante la introducción y el uso de técnicas y herramientas de ahorro de energía y, en cuanto a la oferta, duplicar la parte de las fuentes de energía renovables hasta alcanzar el 12% del consumo global en 2010.

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Figura 45.1. Producción mundial de biodiesel (millones de litros).

La Figura 45.1 muestra el incremento de la producción de biodiesel, si bien es verdad que mucho biodiesel se produce fuera de la UE. La producción mundial de bioetanol ha aumentado considerablemente a partir de principios del siglo XXI, como muestra la Figura 45.2. Sin embargo, desde 2007 la producción se ha estancado y/o disminuido debido al dumping comercial y al creciente malestar de muchos sectores por el hecho de destinar productos comestibles (soja, colza, cereales, etc.) a la fabricación de biocarburantes. De la cantidad total de bioetanol fabricado, la mayor parte corresponde a EE UU, seguido por Brasil. La UE sería el tercer fabricante en orden de importancia, por delante de China.

Desde el año 2000, la UE ha aprobado diversas medidas legislativas para impulsar la penetración en el mercado de la energía renovable y el uso de tecnologías energéticas eficientes. En la actualidad, los estados miembros coinciden en que el aumento registrado recientemente tanto en la producción de energía sostenible como en las pautas de consumo sostenible repercute de manera positiva en el medio ambiente. Sin embargo, aún queda mucho por hacer en lo que respecta a la eficiencia energética. Por ello y a fin de analizar cómo realizar ese potencial de eficiencia energética, el 22 de junio de 2005, la Comisión aprobó el Libro Verde sobre la eficiencia energética titulado Cómo consumir mejor con menos. Su objetivo es lograr

Figura 45.2. Evolución de la producción mundial de bioetanol (Fuente: Ballenilla, M.).


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Figura 45.3. Central térmica de calefacción centralizada con biomasa.

a un coste competitivo un ahorro energético equivalente al 20% del consumo actual de energía en la UE, lo cual redundará en una reducción de las importaciones de energía, en innovación industrial y en creación de empleo. También se reconoce la importancia de una actuación amplia que fomente la introducción de medidas de eficiencia energética y del uso de energías renovables. En los últimos diez años se ha creado en la UE un buen número de programas destinados a apoyar la acción de los principales agentes del sector de la energía sostenible, tanto en el campo de las fuentes de energía renovables como en el de la eficiencia energética, con objeto de desarrollar proyectos específicos, difundir sus logros y resultados y demostrar los beneficios de las nuevas tecnologías y herramientas. La iniciativa más reciente es Energía Inteligente para Europa (2003-2006). Este programa está destinado a desarrollar y fomentar metodologías que propicien el uso y producción de energía sostenible financiando actividades y proyectos no tecnológicos de energías renovables, eficiencia energética, transporte limpio y combustibles alternativos, así como la cooperación con los países en desarrollo en estos ámbitos. Las aplicaciones térmicas con producción de calor y agua caliente sanitaria son las más comunes dentro del sector de la biomasa. En un nivel menor de desarrollo se sitúa la producción de electricidad. La producción térmica sigue una escala de usos que comienza en las calderas o estufas individuales utilizadas tradicionalmente en los hogares. Hoy en día existen aparatos tanto de aire (las estufas de

toda la vida, mejoradas y actualizadas a las necesidades de los usuarios de hoy) que calientan una única estancia, como de agua, que permiten su adaptación a un sistema de radiadores o de suelo radiante y a otros sistemas con producción de agua caliente sanitaria. En un segundo escalafón se sitúan las calderas diseñadas para un bloque o edificio de viviendas, equiparables en su funcionamiento a las habituales de gasóleo C o gas natural, que proveen a las viviendas de calefacción y agua caliente. Debido a la necesidad de disponer de un lugar amplio y seco para el almacenamiento de biocombustibles, este tipo de instalaciones pueden tener problemas en edificios con salas de calderas pequeñas y poco espacio aprovechable (Figura 45.3). En cambio son una buena solución, tanto económica como medioambiental, para edificios de nueva construcción, sobre todo si se atienen a las nuevas ordenanzas y reglamentos. Otra aplicación importante de estas calderas es la conversión de las antiguas calefacciones de carbón o gasóleo C a instalaciones de biomasa, existiendo muchos ejemplos en nuestro país. La buena disposición de los vecinos, que encontrarán un ahorro económico en su consumo de calefacción y agua caliente, un acertado asesoramiento profesional y espacio suficiente para el almacenamiento forman la base para este tipo de cambios. Una red de calefacción centralizada, el district heating, supone el siguiente nivel dentro de las aplicaciones térmicas de la biomasa. Este tipo de instalaciones, como la representada en la Figura

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Figura 45.4. Red de calefacción centralizada por biomasa.

45.4 y por la sala de calderas de la Figura 45.3, están muy extendidas en el centro y norte de Europa. La red de calor y agua caliente llega no solo a urbanizaciones y otras viviendas residenciales sino también a edificios públicos, centros deportivos, complejos comerciales y un amplio elenco de edificios e incluso industrias. El mayor tamaño, tanto de las calderas como de los silos de almacenamiento del combustible, requiere de instalaciones exclusivas para estas centrales térmicas. Dadas las características de nuestro país, en España están iniciándose las primeras redes de climatización centralizada alimentadas con biomasa, las cuales no solo proveen de calefacción en invierno a los usuarios sino que permiten la distribución de agua fría para la climatización de las viviendas y otros edificios en verano. Por último, los consumos térmicos de determinadas industrias también son abastecidos por calderas de biomasa. Se trata principalmente del aprovechamiento de residuos de las industrias agroforestales para producción de calor que, en ocasiones, se acompaña de producción eléctrica (cogeneración con biomasa). Las materias más utilizadas para las aplicaciones térmicas de la biomasa son los residuos de las industrias agrícolas (cáscaras de almendras, huesos de aceitunas…) y forestales (astillas, serrines…), y los residuos de actividades selvícolas (podas, claras, limpieza de bosques…) y de cultivos leñosos (podas, arranques…). En muchas ocasiones algunos de estos residuos se transforman en pelets y briquetas, astillas molturadas y compactadas que facilitan su trans-

porte, almacenamiento y manipulación pero que requieren de un tratamiento previo, encareciendo el producto final. Hay bolsas de pelets de hasta 15 kg disponibles en hipermercados o gasolineras, otras de mayor tamaño, denominadas big bag, que pueden alcanzar los 1.000 kg. Finalmente también pueden adquirirse a granel siendo transportados en camiones normales o en camiones cisterna hasta un silo de almacenamiento. La Figura 45.5 muestra el esquema básico y típico de una planta de conversión energética de biomasa en lecho fluidizado. La producción de electricidad precisa de sistemas más complejos dado el bajo poder calorífico de la biomasa, su alto porcentaje de humedad y su gran contenido en volátiles. Para ello se necesitan centrales térmicas específicas con grandes calderas, con volúmenes de hogar mayores que si utilizaran un combustible convencional, que conllevan inversiones elevadas y reducen su rendimiento. Todo ello, unido a la dificultad de aprovisionamiento de la biomasa, explica el poco peso de la electricidad a partir de la biomasa en el cómputo global de esta energía, 680 ktep de consumo en 2004 frente a los 3.487 ktep de las aplicaciones térmicas. La gran demanda de combustible de este tipo de plantas obliga a asegurar un abastecimiento continuo, que tiene la dualidad de encarecer su precio por la distancia a la que se debe buscar el suministro, pero también puede reducirlo al adquirir grandes cantidades. Son pocas las plantas de producción eléctrica que existen en España y la mayor parte de la potencia instalada procede de instalaciones ubicadas


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Figura 45.5. Esquema típico de una planta de generación de electricidad a partir de biomasa.

en industrias que tienen asegurado el combustible con su propia producción. Es el caso de la industria papelera y, en menor medida, de otras industrias forestales y agroalimentarias, que aprovechan los residuos generados en sus procesos de fabricación para reutilizarlos como combustibles. Una de las explicaciones para este escaso avance es la inexistencia de cultivos energéticos que suministren combustible de manera continuada, en cantidad y calidad, a determinadas plantas. Con el fin de mejorar el rendimiento de las instalaciones y por tanto su rentabilidad económica, la innovación tecnológica en este campo está orientada hacia el desarrollo de la gasificación de biomasa y posterior conversión en electricidad a través de motogeneradores u otros sistemas de combustión del gas de síntesis producido. Como se verá más adelante, el futuro inmediato, según contempla el PER, incluye la promoción de la co-combustión de biomasa, es decir, la combustión conjunta de biomasa y otro combustible (en concreto carbón para el caso español) en centrales térmicas ya instaladas.

Entre los combustibles más utilizados en aplicaciones eléctricas se encuentran los residuos de la industria del aceite de oliva, como el orujillo y el alperujo, existiendo plantas de gran tamaño en el sur de España que se alimentan de estos combustibles. Otra de las mayores plantas del país se sitúa en Sangüesa (Navarra), en este caso alimentada con paja de cereal. Las industrias forestales y otras industrias agroalimentarias (como, por ejemplo, las maicerías y las alcoholeras) también tienen su cuota de importancia al producir energía eléctrica con sus propios residuos (astillas, aserrín, cascarilla de arroz, granilla de uva…). La Figura 45.6 muestra el principio de funcionamiento de una planta de valorización de biomasa por medio de un horno parrilla. El número 1 representa la fosa de biomasa o almacenamiento y el 2 la grúa de transferencia del almacenamiento a la tolva de alimentación, 3. De ahí a la tolva de alimentación número 4. El 5 es el horno parrilla y el 6 el extractor de cenizas. El 7 es la caldera de producción de vapor o agua caliente. El 8 el precipitador electrostático y el 9 el ventilador extractor de gases.

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Figura 45.6. Esquema básico de una planta de valorización de residuos agrícolas.

Si normalmente a los sistemas de producción de energías renovables se les otorga un beneficio claro, la disminución de la carga contaminante provocada por los combustibles fósiles, en el caso de la biomasa existen otros beneficios, como propiciar el desarrollo rural y proporcionar el tratamiento adecuado de residuos, en algunos casos contaminantes, o gestionar los residuos procedentes de podas y limpiezas de bosques limitando la propagación de incendios. El aprovechamiento de la masa forestal residual como combustible para calderas de biomasa es una de las soluciones para facilitar el saneamiento de los bosques. En este último caso podrían incluirse los rastrojos y podas agrícolas, cuya quema tradicional en el campo conlleva un riesgo añadido de incendios, y que pueden encontrar un nuevo mercado en la producción de energía. Otro aspecto a tener en cuenta es la posible reforestación de tierras agrícolas o desforestadas con cultivos energéticos, herbáceos o leñosos, con destino a la producción de biomasa, que aumentarían la retención de agua y la disminución de la degradación y erosión del suelo. La mayor ventaja es el balance neutro de las emisiones de CO2. Según datos del PER, en el año 2010, con un incremento de la potencia eléctrica con biomasa de 1.695 MW y un aumento en la energía primaria procedente de biomasa térmica de 582,5 ktep, las emisiones

evitadas de CO2 superarían los nueve millones de toneladas. Por otro lado, todas las nuevas plantas, de cierta importancia, cuya actividad principal sea el aprovechamiento energético o la manipulación y transformación de la biomasa deben presentar un estudio de impacto ambiental en el que, entre otras cuestiones, se constaten las características del entorno en el que se va a ubicar, el análisis del proyecto, la previsión de las alteraciones y las medidas correctoras, los impactos residuales y el plan de vigilancia. El fomento de la producción de biomasa para uso energético permite el desarrollo de una nueva actividad en las áreas rurales, sobre la base de un mercado con una demanda continua y sin fluctuaciones, que genera puestos de trabajo estables, bien remunerados y supone una nueva fuente de ingresos para las industrias locales. De acuerdo con lo expuesto por el Comité de las Regiones en su dictamen sobre el Libro Blanco de las Energías Renovables, a igual potencia instalada se crean hasta cinco veces más puestos de trabajo con energías renovables que con combustibles convencionales. Esta oferta de empleo permite fijar la población en los núcleos rurales evitando algunos de los problemas sociales derivados de la migración hacia las grandes ciudades, como son el abandono de las actividades del mundo rural, el abandono


de pueblos y la aparición de zonas marginales y desempleo en las grandes ciudades. El aumento de ingresos de las industrias locales y el incremento de la población dan lugar a la aparición de nuevas infraestructuras y servicios en áreas rurales, como son las carreteras, los centros hospitalarios y educativos, y los servicios a la población en general. Esta sinergia aumenta aún más el empleo y la calidad de vida en los núcleos rurales. Por otro lado, la aparición de una segunda fuente de ingresos en las industrias agrícolas y forestales, a través de la venta de sus residuos para la generación de energía, equilibra las fluctuaciones de los mercados de los productos principales de las citadas industrias, dando una mayor seguridad a empresarios y empleados. Desde el punto de vista de los agricultores, la posibilidad de dedicar parte de sus terrenos a prácticas distintas de las tradicionales (alimentación humana o animal, sector del papel, del mueble, etc.) supone un equilibrio en sus ingresos anuales a través de un mercado más amplio para sus productos. En definitiva, se incentiva el desarrollo rural al poner en valor tierras yermas o nuevas áreas agrícolas en las que se pueden implantar cultivos energéticos. A su vez, se le da un valor a los residuos para que sean aprovechados y reutilizados. El desarrollo efectivo de la biomasa, tanto en el sector doméstico como en el industrial, puede dar lugar, durante el periodo de vigencia del Plan de Energías Renovables (2005-2010), a la aparición de 57.000 puestos de trabajo de carácter anual. Por otro lado, la contribución a una menor dependencia externa en el suministro de combustibles,

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además de facilitar el desarrollo rural, es una de las bazas macroeconómicas más sobresalientes de la energía procedente de la biomasa. Tanto el uso de biomasa en calefacciones de viviendas unifamiliares, como en calefacciones centralizadas de edificios o en redes de calefacción centralizadas, son alternativas viables al consumo de gas natural y otros combustibles fósiles, como el gasóleo de calefacción, que pueden verse favorecidas y ampliadas si se desarrollan normas que promuevan e incentiven su implantación local, regional y nacional. En la misma situación se encuentran las centrales de producción eléctrica específicas de biomasa, las de co-combustión y las instalaciones industriales alimentadas con biomasa. Cualquier medida que incentive y ayude estos procesos conllevará una mayor producción y un incremento de la contribución de las energías renovables. Actualmente la mayoría de las aplicaciones térmicas en edificios o redes centralizadas con biomasa generan un ahorro, derivado del consumo de energía, superior al 10% respecto al uso de combustibles fósiles, pudiendo alcanzar niveles aún mayores según el tipo de biomasa, la localidad y el combustible fósil sustituido. Como ha ocurrido con la energía eólica y la solar fotovoltaica, la implantación de la biomasa en determinados territorios facilita también el desarrollo de experiencias y proyectos de educación ambiental en los que se intenta resaltar la importancia de esta fuente energética. En este mismo ámbito se inscriben experiencias de visitas escolares y de vecinos a las plantas de biomasa para enseñar y demostrar sus ventajas ambientales, energéticas y sociales.

Los biogases

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LA TRANSFORMACIÓN DE UN COMBUSTIBLE SÓLIDO O LÍQUIDO A GAS SIEMPRE MEJORA SU TASA DE CONVERSIÓN ENERGÉTICA • •

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• • • •

Por lo que hace referencia a la eficiencia de la combustión es preferible emplear gases y vapores en lugar de sólidos y líquidos. La generación de biogases, de vertederos y en las EDAR, se estima entre 6 y 10 kg por habitante y año. Esta cantidad es tan importante que, en Alemania y el Reino Unido representa el 6,7% de la producción de electricidad y se espera que en 2015 alcance el 14% de la electricidad renovable. En España las primas a la generación de electricidad (RD 661) no favorecen la valorización de este biogás. Para sacar rendimiento a la fermentación metánica (los digestores que hay instalados en los Ecoparc) ha de llevarse a cabo una rigurosa recogida selectiva de la fracción fermentable y ello es muy complicado en las ciudades de más de 50.000 habitantes. Recientemente ha aparecido una patente japonesa que permite, a escala doméstica, hacer funcionar la cocina con el biogás generado en un minirreactor. Existen plantas de generación de electricidad con motores a partir del biogás generado por la gasificación de la biomasa forestal. También hay plantas de depuración del gas de síntesis que permiten producir un gas equivalente al gas natural. El gas de síntesis de gasificación puede sustituir al gas natural en casi todas las aplicaciones térmicas. Para aumentar el rendimiento y la generación de biogás en los digestores es preciso recurrir a: técnicas de pretratamiento, codigestión, régimen termófilo, etc. Las diversas tablas de este apartado dan valores de la cantidad de biogás que se puede producir a partir de residuos ganaderos. El gas de síntesis obtenido por gasificación es mucho más versátil que el residuo del que procede. Es decir, con el biogás se pueden hacer otras aplicaciones de mayor valor añadido. Los nuevos sistemas para la obtención de gas de síntesis, con lechos fluidizados, permite la adición de neutralizantes en el propio lecho, evitando así la formación de gases ácidos. La síntesis de Fischer-Tropsch constituye una posibilidad, si bien no la más eficiente, de obtener un gasóleo a partir de la lignocelulosa. Los avances de la tecnología también podrían hacer que fuesen competitivos a medio plazo otros biocarburantes líquidos o gaseosos obtenidos de la transformación termoquímica de la biomasa, como el biodimetiléter, el biometanol, o los bioaceites (obtenidos por pirólisis).

800


Introducción Desde el punto de vista energético y ambiental, no es lo mismo emplear un sólido o un líquido que un gas procedente de ellos. De ahí la importancia de destinar un apartado a los gases y vapores. Los denominados gases residuales y de síntesis son combustibles gaseosos renovables generados a partir de residuos orgánicos. En primer lugar hay que llevar a cabo una distinción entre ellos: •

•

Gases residuales procedentes de la fermentación anaerobia de la biomasa. Este biogás contiene por lo general más de un 50% de CH4, además de CO2, N2 y otras fracciones menores. En este apartado debe incluirse también el gas de vertedero. Estos gases son producidos a baja temperatura (próxima a la ambiental). Gas de síntesis. Procedentes de la gasificación o la pirólisis de biomasa. En su composición sobresale la cantidad de CO y H2. Corresponden a los denominados procesos termoquímicos o conversiones energéticas a alta temperatura.

La Figura 46.1 sintetiza el origen de los diversos biogases de acuerdo con la clasificación más clásica: •

Gases procedentes de procesos termoquímicos: gas de síntesis (gasificación) y gas de pirólisis. Son los que se generan a alta temperatura.

Figura 46.1. Clasificación de los biogases.

•

Gases procedentes de procesos bioquímicos. Son los que se producen a temperaturas máximas de un 60 ºC, caso de la fermentación anaerobia termófila. No obstante el agente desencadenante no es la temperatura sino la actividad bacteriana.

La utilización de gases residuales y de síntesis para fines energéticos constituye hoy en día una materia de especial interés. Una primera razón para ello es la posibilidad de generar dichos gases a partir de residuos que de por sí pueden ser problemáticos para su tratamiento y disposición, orientándolos en vez de ello a su aprovechamiento o valorización. En segunda instancia aparece la opción de generar energía térmica o eléctrica en zonas donde su consecución y coste son cuestiones problemáticas. Estos pueden ser producidos en vertederos y en sistemas de cofermentación anaerobia de residuos fermentables. Comúnmente se denominan biogás. A pesar de que en el nombre de biogás puede también englobar cualquier gas obtenido a partir de materia orgánica o por medio de algún proceso de carácter biológico. Generalmente el término se reserva para el gas de origen orgánico obtenido por digestión anaerobia. La proporción de gas metano presente en el biogás depende de la materia prima empleada.

801

Los biogases

El sistema APS-Digester (Anaerobic Phased Solids Digester), desarrollado por la Californiana Universidad de Davis, tiene las etapas clásicas de un proceso: • Reactor de hidrólisis. De hecho, el sistema APS-digester dispone de dos reactores de hidrólisis. En ellos se rompen los enlaces de las largas cadenas moleculares celulósicas y buena parte de las celulares, lo que equivale a una preparación para la etapa siguiente. • Reactor de biogasificación, o fermentación anaerobia. En Alemania la producción de biogás, de vertedero y de digestores se eleva a 23,1 tep/1.000 habitantes en términos de electricidad y, gracias a los certificados de venta verdes (ROC), en el periodo 2006/2007 la electricidad generada fue el 6,7% (y se espera que llegue al 14% en 2015). La Tabla 46.1 muestra los principales países productores en kteps). En cifras redondas se calcula entre 6 y 10 kg de biogás/habitante y año lo que se puede recuperar. Como se ve se trata de una importante cantidad de energía que, mayoritariamente, se pierde básicamente la procedente de vertederos, y produce efecto invernadero.

Otro requisito, tanto de índole ambiental como de carácter económico para implantar una instalación de biogás es que, además de la propia producción de metano, el residuo final de la cofermentación se utilice como abono. Las diferentes reacciones anaerobias que tienen lugar en el seno del vertedero con el concurso del agua generan el biogás conocido como gas de vertedero. El gas se halla exento de oxígeno ya que se consumió en las diversas reacciones anaerobias. Sin embargo, en la composición siempre aparece un cierto porcentaje debido a la infiltración de aire en la etapa de extracción del biogás. Al margen de la acción bacteriana sobre la fracción fermentable, la más común, en los vertederos mixtos es la presencia de sulfatos (residuos de la construcción, de neutralización de gases ácidos, fangos de EDAR, etc.) que hacen entrar en acción a las bacterias sulfato-reductoras, siempre anaerobias, y que generan sulfuro de hidrógeno. En las zonas donde se cultiva arroz hay un enorme potencial de generación de energía procedente de los tallos y la cascarilla. Naturalmente el sistema es aplicable a otros residuos, como paja de trigo, restos vegetales o fangos de la industria papelera. El gas generado puede ser empleado directamente como vector energético en calderas.

Tabla 46.1. Producción de energía primaria (ktep) en forma de biogás en algunos países europeos. País

Vertedero

EDARs

Otros

Total

Alemania

573,2

369,8

980,2

1.923,2

Reino Unido

1.515,0

181,0

0

1.696,0

Italia

310,8

0,9

42,1

353,8

España

251,6

56,8

25,8

334,3

Francia

148,0

75,0

4,0

227,0

Países Bajos

38,8

50,8

29,4

119,0

Austria

11,2

3,5

103,4

118,1

Dinamarca

14,2

23,5

56,5

94,2

UE

3.116,2

949,5

1.281,1

5.346,7

Estimación y cálculo de la cantidad de metano producido por compuestos orgánicos La ecuación estequiométrica de Boswel es aplicable a la degradación anaerobia de la materia orgánica y permite calcular la producción de metano

y la composición del biogás generado a partir de su degradación completa. Estas variables están determinadas por la composición química de los

802


materiales que se agreguen. La relación puede expresarse con la siguiente fórmula:

g de O2 para su oxidación, siendo entonces la demanda de oxígeno igual a 192 g. En resumen, por cada 16 g de CH4 producido y liberado se consumen 64 g de O2 (es decir, se generan 64 g de demanda química de oxígeno: DQO). A partir de las fórmulas antes expuestas, se puede determinar la producción de metano a partir de la remoción de DQO en el proceso:

CnHaOb + (n - a/4 - b/2) H2O → (n/2 - a/8 + b/4) CO2 +(n/2 + a/8 - b/4) CH4 Si se conoce la composición química de los materiales con que se alimenta la fermentación, se puede calcular, en teoría, aplicando esta fórmula, la cantidad de gas producido. Con ello se calculan la cantidad y componentes generados por los tres principales compuestos orgánicos. Los datos que aparecen en la Tabla 46.2 para diferentes compuestos orgánicos varían simplemente por la distinta composición química de diversos polisacáridos, proteínas y grasas. En el proceso de fermentación, los fermentos no pueden degradarse por completo y parte de ellos son empleados por los microbios y generan otros productos. La producción neta de gas es menor que la mencionada anteriormente. En el proceso de degradación del material orgánico se libera CH4, el cual será luego oxidado a CO2 y H2O para completar el ciclo del carbono. El siguiente ejemplo propone la degradación de la glucosa bajo condiciones anaerobias:

V CH4 = DQO CH4 / k (T); k (T) = k·P / R (273+T) Donde: • • • • •

V CH4 = volumen de CH4 liberado. DQO CH4 = DQO convertido en metano (g DQO removido). k = g DQO por mol de CH4 (64 g DQO / mol CH4). R = constante de los gases (0,08206 atm·l/ mol·K). P, T = presión atmosférica (atm) y temperatura (ºC).

Finalmente, considerando que el gas producido se compone de 75-80% CH4 y 20-25% CO2, puede estimarse la producción total de biogás en el proceso. Realizando el cálculo de la fórmula anterior con unas condiciones de 192 g de DQO extraído a una presión de 0,84 atm y una temperatura de 30 ºC, se obtiene que el volumen de CH4 liberado es de 88,8 litros, con una densidad de 0,5543 g/l que da como resultado 49,22 g, lo cual es muy cercano a los 48 g mencionados en el párrafo anterior.

C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4 Para evaluar la demanda de oxígeno del proceso se deben considerar los productos generados (CO2, CH4). Como el CO2 se encuentra ya en la forma más oxidada, la única demanda de oxígeno será la correspondiente a la oxidación del CH4. CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (16 g) (64 g) (44 g) (36 g)

FERMENTACIÓN METÁNICA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS Hay básicamente dos métodos para producir el biogás:

De la ecuación anterior se infiere que 1 mol de CH4 requiere 2 moles de O2 para su completa oxidación. Para el caso de la glucosa se deduce que por cada mol de glucosa se generan 3 moles de CH4 (48 g) que requieren de un consumo de 192

•

Método húmedo, cuando el substrato tiene un máximo de 15% de materia seca. La obtención, en este caso, resulta fácil.

Tabla 46.2. Gases generados por diversos compuestos orgánicos en condiciones totalmente anaerobias. Compuestos orgánicos

Peso %

Cantidad de gas producido/material desecado (m3/kg)

CO2

CH4

Biogás

CH4

Hidratos de carbono

73

27

0,75

0,37

Lípidos

52

48

1,44

1,04

Proteinas

73

27

0,98

0,49

803

Los biogases

•

Método seco, cuando el substrato tiene una proporción de materia seca del 25%. El sistema tendrá mayor rendimiento energético pero con mayores problemas de manejo del material.

La fermentación metánica es una transformación microbiana que se produce en ausencia de aire (condiciones anaerobias) originando el biogás, mezcla de metano y anhídrido carbónico, y una suspensión acuosa de materiales sólidos integrada por compuestos difíciles de degradar junto con nitrógeno, fósforo y los demás elementos presentes inicialmente en la biomasa. El nombre de biogás se le da a la mezcla gaseosa, combustible, resultante de la fermentación anaerobia de la sustancia orgánica mediante bacterias metanogénicas. El porcentaje de cada gas en la mezcla depende de algunos parámetros, como el tipo de digestor o vertedero y el substrato para digerir. De cualquier forma, esta mezcla esencialmente está constituida por metano, con unos valores promedios que están en el orden de 55 a 65%, y por dióxido de carbono con aproximadamente 35 a 45% de su composición, estando su energía calorífica directamente relacionada con la cantidad de metano existente en la mezcla gaseosa. En una

Figura 46.2. Esquema básico de un metanizador.

visión global, el biogás es un gas incoloro, generalmente inodoro (si no contiene impurezas, como H2S) e insoluble en agua. La composición promedio de la mezcla gaseosa se detalla en la Tabla 46.3. Tabla 46.3. Composición típica de un gas de vertedero. Componentes mayoritarios

Rango típico

Metano (CH4)

50 a 75%

Dióxido de carbono (CO2)

25 a 40%

Hidrógeno (H2)

1 a 3%

Nitrógeno (N2)

0,5 a 2,5%

Oxígeno (O2)

0,1 a 1%

Sulfuro de hidrógeno (H2S)

0,1 a 0,5%

Amoniaco (NH3)

0,1 a 0,5%

Monóxido de carbono (CO)

0 a 0,1%

Agua (H2O)

variable

La Figura 46.2 muestra el esquema básico de un metanizador. La producción de generación de electricidad a partir del biogás se ha estimulado en España, después de la publicación del RD 661/2007 que incluye las primas para la producción de energía eléctrica en régimen especial.

804


Propiedades de gase y vapores Es importante diferenciar entre el comportamiento de gases y vapores como productos inmediatos de las transformaciones energéticas. Si bien a las condiciones en que se llevan a cabo estas conversiones industriales los parámetros de presión y temperatura son moderados, podría pensarse que no vale la pena distinguir o profundizar en la naturaleza de unos y otros. La realidad indica que sí es preciso hacerlo.

NATURALEZA DE LOS GASES Por el estado de agregación molecular, la materia se presenta en tres variantes: el estado sólido, el líquido y el gaseoso. En este último, tanto la forma como el volumen son muy dependientes de las condiciones externas a que se hallan sometidos, en particular la temperatura y la presión. En el caso de los líquidos hay que tener presente la denominada superficie libre, por la interacción que ejerce sobre la vaporización. Los gases son mucho más dilatables que los líquidos y los sólidos. Esta es una característica diferencial del comportamiento de los gases y vapores. En la práctica industrial el parámetro más importante es la temperatura, ya que el rango de presiones es poco amplio y, por lo general, muy próximo a la presión atmosférica. Por ello conviene hacer referencia a la ecuación de estado de los gases perfectos, cuya expresión más conocida es: P·V = n·R·T Donde: n es el número de moles y R la constante universal de los gases perfectos cuyo valor es 1,987 cal/K·mol, o 8,314 J/K·mol. Es fácil ver que a la temperatura de 0 ºC y a presión atmosférica normal (760 mm Hg) un mol de un gas cualquiera ocupa un volumen de 22,4 litros, denominado volumen molar. De esta manera es muy sencillo determinar la densidad de un gas. Equiparando el aire a un compuesto químico de peso molecular 28,8 g/mol, su densidad será:

VAPORES Recibe el nombre de vaporización la transformación del estado líquido al gaseoso. De ordinario, este fenómeno, denominado evaporación, se produce en la superficie de un líquido, cualquiera que sea la temperatura del mismo. Si la conversión se realiza en toda la masa líquida, a una temperatura invariable, se habla de ebullición. En el caso de muchos procesos térmicos el proceso no es exactamente como el descrito ya que en la etapa de oxidación a alta temperatura el vapor se forma de manera instantánea, sin pasar previamente por la fase líquida. No obstante, el comportamiento posterior del vapor no viene influenciado por su génesis. La cantidad de calor que es preciso suministrar a una unidad de masa para convertirla en vapor, sin modificar la temperatura, se denomina calor de vaporización y es igual y opuesto al calor de condensación, o cantidad de calor obtenido cuando pasa de nuevo al estado líquido. Desde el punto de vista de los procesos de conversión energética la diferencia entre vapor y gas es muy importante. En particular durante la fase de enfriamiento de los gases procedentes de la gasificación y pirólisis, por debajo los 400 ºC. A partir de esta temperatura comienzan a condensar los hidrocarburos más pesados. En la práctica ello conlleva: •

•

Que el calor sensible de estos hidrocarburos se pierda (ya que condensan y permanecen en las tuberías como líquidos que, a la larga, las obstruyen). Si los gases se enfrían con agua para su posterior depuración, parte de los vapores son solubles y se incorporan al agua. Además, el calor sensible se transfiere al agua.

Los biogases

805

Principales usos del biogás Las dos opciones principales son el aprovechamiento térmico y el eléctrico. También cabe la posibilidad de depurar el biogás para obtener un gas con una mayor concentración de metano. Este nuevo gas posee un poder calorífico superior y puede comprimirse para ser vendido como un combustible más. Por su contenido en metano el biogás puede utilizarse como combustible, y, como cualquier otro combustible gaseoso, puede ser usado para fines domésticos o industriales. El biogás puede emplearse para cocción, iluminación, calefacción, refrigeración y como combustible en motores de

Figura 46.3. Usos del biogás de una gasificación.

combustión interna, ya sea para generación de electricidad o para ser acoplados a bombas o motores. Recientemente ha aparecido una patente japonesa que permite, a escala doméstica, hacer funcionar la cocina con el biogás generado en un minirreactor. La Figura 46.3 muestra el esquema de posibilidades de una planta de gasificación de biomasa forestal, ubicada en Güssing (Austria). En esta planta, el gas de síntesis en una primera etapa de limpieza (eliminación de CO2 y N2 si se ha usado aire como agente gasificante) equivale a un gas natural (de hecho está permitido inyectarlo en la red austriaca de GN). En una segunda eta-

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pa de depuración, solo se conserva el hidrógeno, se aplica a una pila de combustible y, finalmente, el gas de síntesis se toma directamente a la salida del gasificador y se convierte en un equivalente a un gasóleo por medio de la síntesis de FischerTropsch. En el mercado energético, el biogás compite con el gas propano y la electricidad como fuentes de energía, sobre todo en lugares donde el servicio es deficiente o no existe. También compite con el gas propano y la electricidad en la refrigeración, y con la gasolina o el diesel como combustible para motores. En el caso de la iluminación, la eficiencia lumínica de una lámpara de biogás es inferior a la del alumbrado eléctrico, por lo que el uso de estos artefactos se recomienda como una alternativa en lugares donde no hay energía eléctrica o el servicio es deficiente. El biogás puede utilizarse como combustible para motores de ciclo Otto, a partir de los cuales se puede producir energía eléctrica por medio de un generador. En el caso de los motores diesel, el biogás puede reemplazar hasta el 80% del acpm (aceite combustible para motores). El acpm es un destilado medio obtenido de la destilación atmosférica del petróleo crudo. La baja capacidad de ignición del biogás no permite reemplazar la totalidad del acpm en este tipo de motores que carecen de bujía para la combustión, aunque en los motores a gasolina el biogás puede reemplazar la totalidad de la misma. En principio, todos los motores pueden ser adaptados a biogás, pero los más comúnmente usados son los motores de gas-Otto.

LA VALORIZACIÓN DEL GAS DE VERTEDERO El gas de vertedero es un combustible muy abundante debido a la práctica común y exclusiva en muchos países de tratar la materia fermentable por el sistema de vertido. El problema ambiental que ello genera es de tal calibre que la UE ha desarrollado una normativa por la que obliga a tratar dicho gas. El caso es que si el vertedero está lejos de los puntos de consumo, como suele ser habitual, no hay otra manera de valorizarlo que oxidarlo en una antorcha, lo que es una lástima, ya que no se le saca ningún provecho. Por ello en

los últimos tiempos se han puesto en marcha muchas iniciativas para depurar el gas in situ y extraer otros compuestos. Por ejemplo, se ha trabajado en la depuración del gas de vertedero para obtener hidrógeno. Uno de los problemas que genera el uso de biogás en motores es la presencia, además de H2S, de los siloxanos debido a la abundancia de derivados del silicio a que dan lugar los cada día más abundantes productos siliconados presentes en los vertederos. Si estos compuestos no se eliminan pueden destruir las camisas de los motores en pocos días.

LA VALORIZACIÓN DE LOS GASES DE DIGESTORES Por lo explicado en párrafos anteriores es difícil dar características de un biogás sin detallar el sustrato de referencia. Es por ello que los datos que aparecen en la Tabla 46.4, referidos a la unidad de materia seca, son de carácter orientativo. Tabla 46.4. Calidad de gases de digestor según materia prima.

Sustrato Fangos de EDAR RSU Fangos de papeleras Residuos de mataderos Residuos de cerveza Residuos lácteos Estiércol vacuno Estiércol porcino Hojas de patatas Hojas de maíz Hojas de remolacha

0,43 0,61 0,25

Metano (m3/kg sobre ms) 0,34 0,38 0,15

0,24

0,15

0,43 0,98 0,40 0,26 0,53 0,49 0,46

0,33 0,78 0,90 0,21 0,40 0,41 0,39

Biogás (m3/ kg sobre ms)

Los estudios especializados sobre generación de biogás llegan a la conclusión de que se obtienen mejores resultados cuando se mezclan diversas materias primas (codigestión), entre otras razones porque las bacterias consumen el carbono unas 30 veces más deprisa que el nitrógeno, por ello la relación óptima C/N ha de ser del orden de 25-

Los biogases

807

Figura 46.4. Esquema de una planta para la codigestión de residuos.

30/1. Así, algunos residuos ganaderos y fangos de depuradora presentan menores potenciales de producción de gas. Esto se debe tanto al relativamente bajo contenido en materia orgánica como a la baja biodegradabilidad de la misma. Para resaltar la misión de la codigestión, la Figura 46.4 muestra el esquema de una planta de digestión anaerobia eficiente con codigestión. Así, los tanques de recepción “1” simbolizan la entrada de purines o semejantes, mientras que el “2” lo es de residuos industriales. Después de una etapa de mezcla atraviesa un intercambiador de calor “7” y de ahí se dirige a los digestores anaerobios. En ellos se extrae el biogás y el fango digerido pasa a un tanque secundario “6”, antes de la deshidratación. El biogás se almacena en un gasómetro “11” y de ahí a un sistema de cogeneración “12” y “13”. Una parte del biogás se emplea en una caldera “8” y “9” para producir agua caliente para los intercambiadores de calor. Una planta de biogás, como la descrita, puede precisar 4.000 m2 para obtener 500 kW, con una inversión próxima a los cinco millones de euros.

APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO A TRAVÉS DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS En forma natural la biomasa se degrada aerobiamente por acción de bacterias y microorganismos que, dependiendo del origen de la materia orgánica, actúan de una forma u otra, determinando complejos mecanismos que terminan transformando la estructura original de la biomasa. En condicio-

nes de presencia de oxígeno este proceso finaliza en CO2, agua, sulfato, nitrito, nitratos y sales de amonio. Si un proceso análogo se lleva a cabo en condiciones anaerobias se obtiene como productos un residuo húmedo de difícil degradación y un gas inflamable que se denomina generalmente biogás. Dependiendo de las características de la biomasa original este gas puede tener un contenido de metano de entre 50 y 70%, por lo que su potencial energético es muy elevado y permite una versatilidad de valorización amplia. Este biogás alcanza un poder calorífico de alrededor de 5.000 kcal/m3. En la naturaleza es posible observar este proceso con facilidad. Se presenta cada vez que se reúnen condiciones establecidas de biomasa, humedad y ausencia de oxígeno. Un ejemplo de ello son los vertederos de RSU donde los residuos son compactados con poca presencia de oxígeno, produciéndose un biogás que es utilizado como combustible. La humedad presente en la biomasa es un factor muy importante para determinar su uso potencial en el proceso de metanización, ya que, a diferencia de otras técnicas de valorización de biomasa residual, un alto contenido de humedad favorece el proceso. Existe un gran número de tecnologías para la digestión anaerobia, en general se adaptan a las características de la biomasa que será tratada. La Figura 46.5 muestra algunas de ellas. En términos generales se pueden diferenciar por los siguientes aspectos:

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Figura 46.5. Diversos sistemas de digestores anaerobios.

• Sistema de carga y descarga, puede ser continuo o discontinuo • Localización y conservación de la biomasa en el interior, puede ser: — con biomasa microbiana incluida en toda la masa a digerir (biomasa suspendida) o bien con la biomasa microbiana adherida a un soporte inerte fijo o móvil; — con digestores de dos fases en cada una de las cuales se optimizan las condiciones para la fase acidogénica y la metanogénica respectivamente. Los principales parámetros que deben considerarse en el establecimiento y diseño de un digestor son los siguientes: • Características del efluente: concentración de sólidos en porcentaje, demanda química de oxígeno, demanda biológica de oxígeno, contenido total de nitrógeno, pH, conductividad, relación carbono/nitrógeno, alcalinidad, inhibidores (metales pesados o antibióticos). • Parámetros de diseño: sistema de operación, sistema de carga, sistema de descarga, sistema de agitación, sistema de calefacción, aislamiento térmico, forma, volumen necesario según la carga diaria y el tiempo de retención. • Instalaciones complementarias: depósito de almacenamiento previo, unidad de calefacción, gasómetro, unidad depuradora

del biogás, unidad tratamiento de fangos y efluentes, unidad de compresión del biogás. • Parámetros de la digestión: características del efluente, temperatura de digestión, pH, alcalinidad, potencial redox (debe ser lo mas reductor posible, para eliminar las sustancias oxidantes), factores nutricionales, nitrógeno, relación C/N (debe estar entre 25 y 35) y contenido de azufre. • Es necesario un especial cuidado con la cantidad de ácido sulfhídrico del biogás, ya que es un agente altamente corrosivo pudiendo dañar irreversiblemente los equipos utilizados. La Tabla 46.5 muestra los rendimientos típicos de algunos desechos empleados en la producción de biogás. Tabla 46.5. Producciones medias de biogás de diferentes residuos. Tipo

Rendimiento (m3 gas/t MS)

; (kg/día y animal)

Estiércol de vaca

330

49

Estiércol de aves

500

0,1

Estiércol de cerdo

700

9,5

Estiércol de ovino y caprino

300

1,6

Residuos urbanos (materia orgánica)

116

-

En términos generales los sistemas de metanización para la producción de energía eléctrica deben

Los biogases

contar con un proceso de depuración y tratamiento de residuos orgánicos para que se pueda conseguir una viabilidad técnica, que asegure el abastecimiento de las materias primas, y comercial, disminuyendo los costos de transporte, tratamiento y

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disposición final de residuos de origen orgánico. Es una alternativa altamente recomendable para la valorización de residuos de la industria ganadera y la combinación con procesos de depuración de aguas residuales urbanas o codigestión.

Gases de síntesis La síntesis de gases combustibles a partir de recursos fósiles data del siglo XIX, produciéndose en Centroeuropa y Norteamérica a escala industrial, principalmente para el sector doméstico. Por tanto, su producción no constituye ninguna novedad. Cuando hacia 1950 comenzó el empleo masivo de gas natural en las ciudades, los gases de síntesis cayeron en un letargo. Sin embargo el consumo de gas natural se incrementó de tal manera que pronto se vio la necesidad de recurrir a otras fuentes, aunque fuese de manera complementaria. Es por ello que en la década de 1980 se sintetizaron gases de síntesis a partir de residuos renovables y además posibilitando un gran desarrollo tecnológico. Existen diversos sistemas de conversión energética de residuos que dan lugar a otros tantos gases de síntesis.

GASES DE PIRÓLISIS La pirólisis se define como la degradación térmica de una sustancia orgánica en ausencia de oxígeno o con una cantidad limitada del mismo

Figura 46.6. Esquema del proceso de pirólisis.

(condiciones anóxicas), y como resultado se produce durante el craqueo térmico un cierto grado de oxidación (si la materia a pirolizar contenía oxígeno) y se forman productos relacionados con una combustión incompleta. La mayor parte de los procesos industriales de pirólisis, como el que simboliza la Figura 46.6, se llevan a cabo habitualmente a temperaturas entre 450 ºC y 800 ºC. A estas temperaturas los residuos combustibles se transforman en gases, líquidos (vapores a las temperaturas de proceso) y productos carbonosos sólidos denominados “coque” de pirólisis. Esta técnica se utiliza desde hace mucho tiempo para producir carbón activado y carbón vegetal. La pirólisis de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos lleva a la liberación de un gas de proceso que es una mezcla de CH4 (aproximadamente un 30%), CO (20%), CO2 (25%), H2 (25%) e hidrocarburos ligeros. Otros gases que se pueden formar son: H2S por inclusiones de sulfuros, y HCl y HF procedentes de los compuestos halogenados orgánicos.

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bustible gaseosa mediante oxidación parcial por aplicación de calor. La propia dinámica del proceso de gasificación, introducción de una cierta cantidad de aire, conduce a que el gas de síntesis o syngas obtenido tenga un PCI notablemente inferior al gas de pirólisis. Para mejorar la potencia calorífica del gas de síntesis se debe usar aire enriquecido con oxígeno o a veces también con vapor de agua. De esta manera los componentes habituales del gas pobre son CO, H2, CH4, H2O, N2 y pequeñas cantidades de hidrocarburos superiores. La Tabla 46.6 muestra la composición del gas de síntesis obtenido para distintos agentes gasificantes, a partir de subproductos agrícolas usados como combustible. En resumen, al someter un combustible de naturaleza compleja a altas temperaturas, a bajas concentraciones o en ausencia de oxígeno (pirólisis), se liberan aquellas sustancias que, ya existiendo o formándose nuevas, son volátiles a estas temperaturas. Finalmente se obtiene una mezcla de gases y vapores formados por agua, CO2, CO, CH4, C2H6, CH3OH, etc. En el caso de la gasificación de biomasa, si se emplea aire como agente gasificante, Figura 46.7, se obtiene un gas de bajo poder calorífico aprovechable con fines energéticos que se llama “gas pobre” y normalmente su poder calorífico no superará el 25% del gas natural. No existe una estequiometría exacta del proceso, ya que varía completamente según la velocidad de calentamiento, el tiempo de permanencia de los gases en los reactores y la temperatura del proceso. El proceso de transformación de moléculas complejas como aceites, grasas, plásticos, etc., en moléculas sencillas es el resultado de múltiples reacciones de reducción en fase sólido-gaseosa o gaseosa-gaseosa, llegando a alcanzar finalmente un gas de composición estable, que posteriormen-

Las proporciones relativas de los elementos producidos dependen de la composición del combustible, de la temperatura y del tiempo que esta se aplique. Una corta exposición a altas temperaturas, pirólisis flash, maximiza la fracción gaseosa. Si se aplican temperaturas más bajas durante periodos de tiempo más largos, predominarán las fracciones sólidas carbonosas. Este gas de relativo bajo poder calorífico, en comparación con otros gases combustibles, puede servir, una vez depurado, para accionar motores o para producir electricidad. Las materias primas que se tratan actualmente para someterlas a este proceso son los subproductos agrícolas y forestales, y los residuos sólidos urbanos. Con la pirólisis flash, realizada a una temperatura mayor y en menos de un segundo, se tiene la ventaja de asegurar una gasificación casi total de la biomasa. Por esta razón, y para minimizar los problemas derivados de la limpieza de los gases de síntesis, se procura potenciar este tipo de pirólisis en detrimento de los sistemas convencionales. Los avances de la tecnología también podrían hacer que fuesen competitivos a medio plazo otros biocarburantes líquidos o gaseosos obtenidos de la transformación termoquímica de la biomasa, como el biodimetiléter, el biometanol o los bioaceites (obtenidos por pirólisis).

GAS DE SÍNTESIS DE GASIFICACIÓN Cuando el porcentaje de aire se halla entre el 25 y el 50% del aire teórico (estequiométrico) de combustión el proceso realizado se denomina combustión en defecto de aire o, simplemente, gasificación. Así pues, la gasificación puede considerarse como otra técnica de tratamiento pirolítico definida como la conversión de una sustancia sólida o líquida que es transformada en una mezcla com-

Tabla 46.6. Variación de la composición del gas de síntesis según la naturaleza del agente gasificante. Agente gasificante

PCS (MJ/m3)

Composición

Uso

H2

CO

CO2

CH4

N2

O2

<6

16

20

12

2

50

-

Combustible

Oxígeno

10-20

32

48

15

2

3

-

Combustible gas de síntesis

Vapor de agua

10-20

50

20

22

6

-

2

Combustible gas de síntesis

Hidrógeno

> 30

-

-

-

-

-

-

Sustituto del gas natural

Aire

Los biogases

811

Figura 46.7. Producción de gas de síntesis, biogás e hidrógeno a partir de biomasa por medio de una gasificación o de una digestión anaeróbia.

te será empleado en alguna aplicación externa al reactor. El resultado no es siempre tan simple. En el interior del reactor de gasificación es imposible distinguir, o aislar, las reacciones de pirólisis, de gasificación y de combustión, ya que todas ellas se pueden dar, y la realidad así lo demuestra de forma simultánea. El resultado es la formación de un sinfín de hidrocarburos de peso molecular elevado, comúnmente denominados alquitranes, que van a representar un serio obstáculo para la posterior valorización, en especial cuando los gases se deben enfriar para ser valorizados en un motor de combustión interna. Como se ha comentado, empleando oxígeno y/o aire enriquecido (Figura 46.7), se obtiene un gas de síntesis de mayor poder calorífico, y de mayor calidad, que se puede emplear como combustible y tendrá un poder calorífico mayor debido a la

ausencia de nitrógeno, normalmente entre el 25% y el 40% del gas natural, mientras que aplicando vapor de agua se obtiene un gas rico en H2 y CO apto para la síntesis de gasolinas, metanol, etc. Por último, en el caso de emplear hidrógeno, se obtiene un gas con alto porcentaje de metano que puede llegar a sustituir al gas natural. Aunque la gasificación es un proceso pirolítico optimizado para la mayor obtención de gases, genera subproductos líquidos y sólidos que pueden contener altos niveles de contaminantes tóxicos. El grado de contaminación dependerá de la cantidad de residuos tratados, del tipo de técnica y de cómo se lleve a cabo el proceso. El gas de síntesis procedente de la gasificación tiene ventajas con respecto a la biomasa original: el gas de síntesis producido es más versátil y se puede usar para los mismos propósitos que el gas natural, puede oxidarse para producir calor y vapor

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y puede alimentar motores de combustión interna y turbinas de gas para generar electricidad, produce un combustible relativamente libre de impurezas y causa menores problemas de contaminación al oxidarse. Finalmente, el gas obtenido se puede emplear para la producción de energía en procesos de combustión, solo o en combinación con gas natural, en calderas comerciales para producir energía térmica, en motores de combustión interna para producir energía eléctrica y térmica, y en turbinas de gas en ciclos simples o combinados para producir energía eléctrica o productos químicos. A partir del gas de síntesis se puede producir la generación a gran escala de hidrógeno, como se indica en la Figura 46.7, haciendo posible la producción posterior de amoniaco por su reacción con nitrógeno, y de metanol, materia prima en la producción de metil-terbutil-éter, entre otros compuestos. La importancia de este gas radica en que se puede transformar en combustibles líquidos (metanol, etileno, amoniaco y gasolinas) o incluso como agentes para la producción de acero en hornos de venteo. Al problema operativo de la gasificación, se une el de la producción de alquitranes que no condensan y otros compuestos orgánicos pesados. Esto hace posible la combustión del gas en equipos industriales, calderas y hornos o en turbinas de gas para generación eléctrica, pero dificulta la extensión a motores de combustión interna de alta eficiencia. El proceso de gasificación posee varias ventajas. Entre las principales cabe mencionar: •

•

•

Versatilidad en la valorización del residuo, ya que se puede aprovechar la energía que contiene en forma de calor, electricidad o como gas de síntesis para la obtención de productos químicos. Buen rendimiento eléctrico, en el caso de que esa sea la vía deseada para el aprovechamiento del residuo. Los rendimientos totales permiten la obtención de 1 kWh de energía a partir de, aproximadamente, 1 kg de biomasa. Menor impacto ambiental. Se pueden echar neutralizantes para impedir la formación de gases en el mismo lecho fluidizado.

La principal diferencia de la gasificación con la incineración es que en la obtención del gas de síntesis se realiza una oxidación parcial, en cambio la incineración realiza una oxidación completa de la biomasa. El gas de síntesis es de bajo costo y flexible a múltiples usos. La gasificación posee similitudes importantes con el proceso de obtención de biogás, ya que ambos permiten la obtención de un gas de moderado poder calorífico a partir de biomasa.

GASIFICADORES DE FÁCIL MANEJO Existe una variedad amplia de reactores que se utilizan para los procesos de gasificación de biomasa, su elección depende de varios factores, como pueden ser la granulometría de la biomasa residual, la humedad de esta o la limpieza del gas de síntesis requerida. Los principales reactores utilizados son: •

•

Lecho fijo: donde es posible distinguir los denominados a contra corriente (up-draft) y corriente paralela (down-draft). La tecnología comercial más experimentada y probada son los segundos capaces de producir gas de síntesis, sin problemas, para alimentar motores de 0,25 MW eléctricos. Lecho fluidizado: donde se pueden distinguir los sistemas denominados lecho burbujeante y circulante. Todos ellos están pensados para grandes cantidades.

Desde un punto de vista funcional, para lograr, sin un sofisticado sistema de limpieza de gases, una buena calidad de gas de síntesis, es preciso recurrir a los lechos fijos, que cumplan los siguientes requisitos: •

•

Que la puesta en funcionamiento, a partir de la instalación en frío, sea rápida. El modelo dawn-draft tarda diez minutos. Es decir, que la puesta en marcha, o rearme por cualquier contingencia (lo normal es falta de alimentación) sea rápida. En este último caso, rearme, es de tres minutos. Que tenga un funcionamiento flexible con la alimentación. El modelo dawn-draft no altera sus parámetros a no ser que la alimentación, la calidad del material alimentado, descienda por debajo del 50% del valor

Los biogases

nominal de diseño. Es decir, una instalación que sea poco sensible a la alimentación. En los lechos fijos a corriente paralela, existe una gran experiencia en los países asiáticos, donde disponen de biomasa abundante (en la que incluir, por ejemplo, la cascarilla de arroz) y, en cambio, la red de distribución eléctrica es muy deficiente o, en ocasiones, inexistente. Por ello esta tecnología se ha desarrollado con éxito desde hace más de 30 años y hoy en día se halla a escala comercial, en tamaños desde los pocos kW hasta los 250 kW, de manera modular. La producción de alquitranes, compuestos que pueden invalidar la generación de electricidad a partir del gas de síntesis, es función de: •

•

La forma interna del reactor de gasificación. En este sentido los que físicamente presentan mejor comportamiento son, precisamente, los de lecho fijo dawn-draft. El sistema de lavado de los gases a la salida del reactor.

813

Por lo que hace referencia a la geometría interna del gasificador dawn-draft, la Figura 45.8 muestra el esquema básico de funcionamiento. El combustible penetra por la parte superior por medio de dos compuertas sincronizadas, de manera que siempre una de ellas está cerrada para impedir la entrada de aire. Debido a la elevada temperatura y a la ausencia de aire, la biomasa se descompone en gases y vapores al poco de penetrar en el reactor (zona de pirólisis). Cuando alcanza la garganta (zona de oxidación) la temperatura asciende a valores superiores a 1.100 ºC. Ello provoca la destrucción de todas las trazas de alquitranes. Se forma una pequeña fracción de coque, del orden del 6-8% sobre la masa de combustible entrado (considerando una biomasa con un contenido de cenizas del 3%), que también es combustible y debido a su naturaleza inerte puede valorizarse en una planta externa, como puede ser una cerámica o una fábrica de cemento o de compostaje.

Figura 46.8. Principio de funcionamiento de un gasificador dawn-draft.

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Esta variante de planta de gasificación es ideal para la minimización de la formación de alquitranes en el gas que invalidarían la posibilidad de producir energía eléctrica. Sin embargo, y para reducir a un mínimo su presencia, el sistema dispone de un sofisticado y experimentado lavado de gases consistente en: • •

•

•

• •

•

Ciclón para la extracción del material particulado que pudiera contener el gas. Un lavador húmedo (scrubber). En él todos los compuestos solubles se transfieren al agua. El agua se mueve en circuito cerrado y se refrigera. Un ventilador húmedo equipado con un ciclón húmedo para retener las gotas de agua de mayor tamaño. Un intercambiador que utiliza agua proveniente de un refrigerador para asegurar la condensación del vapor de agua presente en el gas (demister). Dos filtros adsorbentes. Un último filtro de seguridad, tipo filtro de mangas, que garantiza que el motor no reciba, en casos accidentales, contaminante alguno. Un ventilador de cola que mantiene el circuito a depresión.

OBTENCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES A TRAVÉS DE LA GASIFICACIÓN Las técnicas de gasificación permiten la obtención de un biocombustible gaseoso homogéneo, a partir de la transformación de biomasa de origen heterogéneo. El proceso básico bajo el cual se desarrolla la gasificación es la interacción de vapor a una temperatura elevada, oxígeno, u otro agente oxidante, y biomasa sólida. Dichas reacciones no ocurren con facilidad ya que requiere temperaturas elevadas para que se lleven a cabo, alcanzado tem-

peraturas sobre los 1.000 ºC y presiones que superan hasta 30 veces la presión atmosférica (según la tecnología empleada). Un resumen del proceso es el siguiente: •

•

Durante la primera etapa se liberan gases volátiles desde la biomasa sólida, formándose residualmente coque. Ambos subproductos reaccionan luego con el vapor y el agente oxidante, formando inicialmente un gas que es mezcla de CO y H2, con alguna proporción de metano, hidrocarburos y alquitranes. El gas obtenido debe ser sometido a procesos de refinamiento y acondicionamiento para la obtención de un gas limpio.

La utilización de otros agentes oxidantes como el aire permite la obtención de un gas con menor poder calorífico, pero a un costo varias veces menor si se compara con la utilización de oxígeno puro, que si bien permite la obtención de un gas de alto poder calorífico, requiere de inversiones adicionales para su producción, lo cual solo se justificaría en instalaciones industriales de gran envergadura. La Tabla 46.7 muestra una estimación de los resultados que se obtendrían al utilizar cada uno de estos gases oxidantes.

BIOCARBURANTES A PARTIR DE LA SÍNTESIS DE FISCHER-TROPSCH A partir del gas de síntesis procedente de la gasificación de productos lignocelulólsicos, como la masa forestal o los residuos de naturaleza orgánica, es posible obtener una “gasolina artificial”. El proceso lo descubrieron científicos alemanes (Fischer y Tropsch) y se desarrolló con gran profusión en los países donde no tenían acceso al petróleo, como era la Alemania de la segunda guerra mundial (que partía del gas de agua producido con carbón) o la Sudáfrica del aparheit.

Tabla 46.7. Características de los gases obtenidos por la gasificación de biomasa (adaptación a partir de Camps 2002). Gas oxidante Aire

Contenido energético del gas obtenido 3

< 6 MJ/Nm

Principales usos del gas de síntesis Quemadores de caldera o turbinas de gas

Oxígeno

10 – 20 MJ/ Nm3

Gas de síntesis para la producción de metanol, gasolinas o amoniaco.

Vapor de agua + oxígeno

10 – 20 MJ/ Nm3

Gas de síntesis para la producción de metanol, gasolinas o amoniaco

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Los biogases

Figura 46.9. Síntesis de Fischer-Tropsch.

El gas de síntesis a una temperatura entre 200 y 350 ºC y a una presión entre 20 y 30 bares se hace pasar a través de un catalizador compuesto de cobalto, níquel y hierro con óxidos de magnesio, manganeso y torio, tal y como se comentó con más detalle en el Capítulo 24 de la Parte III, y esquematiza la Figura 46.9.

De hecho el sistema consiste en un proceso de hidrogenación donde los principales componentes del gas de síntesis CO, H2 y CO2 se transforman en hidrocarburos líquidos casi idénticos a los que contiene la gasolina (heptanos y nonanos).

Comportamiento de gases y vapores en la combustión De cara al proceso final de destrucción térmica conviene diferenciar entre la naturaleza de gases y vapores, y su comportamiento en la corriente gaseosa. Según la teoría general, las moléculas que están en la superficie del líquido y poseen energía suficiente para vencer la atracción de las demás, escapan y se comportan como moléculas gaseosas moviéndose caóticamente en el espacio libre y chocando constantemente con las moléculas del propio gas. En esta circunstancia se dice que el líquido vaporiza. Las moléculas del vapor que chocan contra las paredes o superficie del líquido pueden penetrar en él, quedando retenidas debido a las intensas fuerzas de atracción que ejercen las partículas el líquido; y el vapor condensa retornando a su forma originaria. Si el espacio situado sobre el líquido es abierto las moléculas de vapor se difunden y pasan todas ellas a la atmósfera. Sin embargo, si el

líquido se halla confinado en un recinto cerrado, tal sería el caso de un conducto de entrada a un quemador o una cámara de combustión, las moléculas de vapor se van acumulando en un espacio limitado y tornan al estado líquido de manera cada vez más importante. Muy pronto se establece un equilibrio entre la vaporización y la condensación, regulada por la presión de vapor. En todos los líquidos la presión de vapor aumenta con la temperatura. Cuando la presión de vapor equivale a 1 bar, el líquido se encuentra en su punto de ebullición pues el vapor, al vencer la presión exterior, puede formarse en toda la masa del líquido y no solo en su superficie.

EL PUNTO DE ROCÍO El punto de rocío corresponde a la temperatura del aire a la cual se alcanza la saturación del vapor de agua contenida en él y condensa. Por extensión,

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Figura 46.10. Formación de SO3 en función de la temperatura del horno.

el mismo concepto se puede aplicar a los diversos compuestos condensables presentes, sean vapores o no. En el caso del agua, al llegar a la temperatura de rocío el vapor forma gotas de agua que, obviamente, son visibles. Desde el punto de vista de impacto ambiental este aspecto debe vigilarse por varios motivos: •

•

Los gases, sobre todo los procedentes de procesos de combustión, y aunque se hallen dentro de los estrictos umbrales de emisión, contienen restos de óxidos (NOx, SOx, HCl, etc.) que al alcanzar el punto de rocío se transforman en ácidos y agreden a las personas y al medio en forma de lluvia ácida. Los análisis de dispersión e inmisión determinan la altura de formación del penacho (zona de condensación) para procurar el menor impacto ambiental y ayudan a dimensionar la altura de la chimenea.

La presencia de agua en los gases de combustión es inevitable; por tanto, en el caso de presencia de gases ácidos, se deberá emitir a una temperatura por encima de la de condensación. Así pues, se debería hablar de un punto de rocío físico, debido a la presencia de agua y cuyo valor es fácil de determinar a partir de un diagrama de aire húmedo, y un

punto de rocío químico, cuyo valor va a depender del contaminante presente. Uno de los contaminantes más frecuentes en las combustiones es el azufre, ya provenga del residuo que se está incinerando, del combustible o de ambos. En cualquier caso se formará SO2, que posteriormente se oxidará a SO3. La Figura 46.10 muestra el equilibrio de la transformación de SO2 a SO3 en función de la temperatura. La gráfica muestra que a temperaturas superiores a 800 ºC la velocidad de la transformación desciende bruscamente o, lo que es lo mismo, si la temperatura de trabajo es alta, el ratio de formación de SO3 es mínimo. En la Figura 46.11 se muestra el punto de rocío de los gases de combustión en función del porcentaje de CO2. Como sea que en una combustión medianamente ajustada la cantidad de CO2 en los gases secos no debería superar el 8%, se deduce que la temperatura de los gases en ningún punto de la instalación ha de ser inferior a 160 ºC. Si los gases contienen otros contaminantes el punto de rocío aumenta, lo que se deberá tener en cuenta. Como es evidente ello también afecta al rendimiento de la instalación, puesto que se permite recuperar menos cantidad de calor. Muchos vapores presentan puntos de rocío sorprendentemente altos, superiores a 230 ºC y, sin

Los biogases

embargo, se aprecian condensaciones y ataques químicos en los conductos de evacuación de los gases. Por lo general, se debe a que la temperatura

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de emisión es cercana a este valor. Por esta razón es imprescindible conocer la caracterización de los compuestos presentes.

Figura 46.11. Punto de rocío de gases de combustión con SO3.

transformaciones energéticas en la biomasa

47

EL SISTEMA DE CONVERSIÓN ENERGÉTICA MÁS EFICAZ ES LA GASIFICACIÓN El fin de toda materia orgánica es transformarse en CO2 y H2O. La eficiencia persigue que, en este tránsito, la energía liberada pueda ser aprovechada. • En los próximos años los sistemas energéticos de conversión más usados serán la incineración y la gasificación. • El PCI de la biomasa es notable, la mitad que tiene el carbón, pero con la ventaja de que está exenta de azufre. Lo importante es emplear el sistema de conversión adecuado a la forma física de la biomasa disponible y a su aplicación. • En las grandes áreas urbanas e industriales la aplicación de los metanizadores, en la versión conocida, están condenadas al fracaso. La solución de urgencia pasaría por un adecuado pretratamiento de la fracción fermentable y la incineración del resto. • Las digestiones anaerobias tienen futuro siempre y cuando se observen las pautas de pretratamiento y forma de llevar a cabo la digestión. Un ejemplo de ello son las digestiones anaerobias que funcionan en muchas EDAR. • Una tecnología a tener en cuenta es el uso de los ultrasonidos, que rompe las paredes celulares, lo que degrada la materia orgánica, y la hace más digerible por parte de las bacterias. Con ello la generación de biogás aumenta mucho. Existen otros sistemas como la hidrólisis térmica o la cavitación hidrodinàmica. • Cada sistema de valorización energética es adecuado para un tipo de biomasa y una aplicación determinada. Por ejemplo, hoy en día se está estudiando la pirólisis de los fangos de EDAR para su conversión en biocarburantes. • La incineración sigue siendo un sistema de valorización energética contestado. Es cierto que algunas instalaciones responden a diseños antiguos y algunas depuraciones de gases no son completas. Pero si ello se hace como debe ser, no hay ningún peligro. • El sistema de conversión energética más versátil y con mayor futuro es la gasificación.

Introducción Existen muchos sistemas de conversión energética que se usan en la valorización de la biomasa. El objetivo de todos ellos estriba en romper las lar-

gas cadenas moleculares. Desde el punto de vista de las operaciones fundamentales de la física, estos procesos se pueden reducir de manera esquemática

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a cuatro, en función del agente responsable de la rotura del enlace: •

•

•

•

En la más conocida de ellas, la oxidación a alta temperatura, el calor generado por la reacción rompe las largas cadenas moleculares y excita los átomos hasta que estos se combinan con el oxígeno. Las hay de media temperatura, baja temperatura, parcial (como la gasificación), catalítica, etc. La pirólisis podría considerarse un caso particular de la anterior, puesto que el mecanismo responsable de la rotura de enlaces es el calor, pero no hay presencia de oxígeno y ello supone que sea precisa la aportación de energía externa para desarrollar el proceso. En la hidrólisis el agente responsable es el agua. Con la ayuda del calor, el pH o la energía cinética existe una recombinación de substancias. En la radiólisis, como la fotólisis, la energía procedente de la radiación es la responsable de la rotura de los enlaces.

Dejando a un margen las dos últimas posibilidades, la Figura 47.1 reproduce de manera esquemática los diversos procesos de conversión energética. La degradación de la materia orgánica es más o menos rápida según los parámetros que intervienen, que es lo que pretende esquematizar dicha figura: •

Fermentaciones aerobias y anaerobias: son las que tienen lugar en los vertederos. Es obvio que una parte de la materia orgánica, como el papel, es poco degradable y puede tardar años en transformarse; otros, como los plásticos, puede demorarse todavía más. En resumen la opción del vertido es la menos favorable de cara a la tasa de conversión energética. Desde la óptica ambiental, al margen de la contaminación originada por los lixiviados, el efecto invernadero producido por el biogás es muy importante ya que el metano generado (50% en volumen en este tipo de gas) se emite directamente a la atmósfera. Teniendo en cuenta que la molécula de CH4 tiene una capacidad de

Figura 47.1. Conversiones energéticas en la biomasa.

La eficiencia de las transformaciones energéticas en la biomasa

•

•

•

•

absorción del infrarrojo 21 veces superior al CO2 (tabla de equivalencia de los GEI elaborada por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático), la incidencia sobre el efecto invernadero es muy importante. Esta es una de las causas de que sea obligado su tratamiento en los mismos vertederos. Fermentaciones anaerobias. En ellas lo que se persigue es la generación de forma controlada de biogás. Este biogás es mucho más rico que el procedente del vertedero (puede llegar a contener hasta un 70% de CH4). Sin embargo, y a diferencia del caso anterior, el biogás se produce para ser oxidado y por tanto se reduce todo a CO2 y H2O. Desde el punto de vista de la tasa de retorno de la energía, estos procesos son lentos. La pirólisis. Donde el agente que desencadena la degradación es la temperatura. El gas obtenido es muy rico en términos de PCI, no obstante es un proceso endotérmico y se debe emplear parte de la energía resultante en ello. Por otro lado, genera una importante cantidad de coque, para lo que hay que recurrir a la incineración, o coincineración, para su eliminación. La gasificación, combustión parcial de la materia en defecto de oxígeno, lo que da lugar a un gas combustible, gas de síntesis, de bajo poder calorífico. La incineración o combustión con exceso de oxígeno. Es el método más rápido de conversión energética y los productos finales son, únicamente CO2 y H2O.

La energía solar captada por las plantas es transformada mediante la fotosíntesis en energía

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química que se almacena en los compuestos que constituyen la materia de la que están formados los seres vivos. El proceso fotosintético permite transformar el CO2 y el H2O en sustancias orgánicas, con liberación de O2, de acuerdo con la reacción: CO2 + H2O + energía solar o (H - COH) + O2 En el proceso inverso, que constituyen las diversas conversiones energéticas, la energía almacenada en la biomasa, que de manera simplificada puede representarse por la fórmula H-COH, libera calor. En el caso teórico de la combustión la reacción sería: (H - COH) + O2 o CO2 + H2O + 4,65 kW El PCI de la biomasa es del orden de 4,65 kW (4.000 kcal/kg), tiene poco carbono y mucho oxígeno y compuestos volátiles, que aportan más del 60% del PCI. Si el objetivo es liberar la energía química contenida en el residuo orgánico, el proceso debe hacerse a una determinada velocidad para que tenga aplicación industrial. Siguiendo con el ejemplo propuesto de la biomasa, una unidad de esta depositada en un vertedero se transformará en biogás en el transcurso de años (y no el 100% ya que la lignina, parte integrante de la biomasa, no se degrada), mientras que en la incineración el proceso es instantáneo. Desde el punto de vista de la gestión de los residuos hay que hacer notar que el único sistema finalista de tratamiento de la biomasa es la incineración. Todos los otros sistemas: vertido, digestores, pirólisis y gasificación, son procesos de conversión intermedios ya que el vector energético obtenido (gas) es preciso someterlo a otra operación para valorizarlo (oxidación o conversión en carburante).

La conversión vía metanización La metanización es una aplicación de la digestión anaerobia que consiste en transformar una parte de la fracción fermentable, o putrescible o degradable, de los residuos en gas metano para su posterior valorización. Desde el punto de vista químico, en la digestión anaerobia se desarrollan gran cantidad de reaccio-

nes catalizadas cada una de ellas por enzimas específicos para dar compuestos intermedios distintos. En líneas generales se puede decir que durante la digestión la biomasa de partida, compuesta por moléculas complejas (proteínas, lípidos, hidratos de carbono, etc.) se descomponen en moléculas más simples, proceso que tiene lugar en las tres

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Figura 47.2. Principio de biometanización por vía húmeda.

etapas clásicas, para dar como productos finales CH4 y CO2. La eliminación de 1 kg de DQO mediante digestión anaerobia supone la producción de un máximo de 0,35 m3 de metano en condiciones normales de presión y temperatura. En función de la humedad se distingue entre metanización húmeda y seca. Metanización húmeda

Se debe añadir agua a los residuos hasta que el contenido de sólidos esté entre el 10 y el 15%. Es un proceso idéntico al usado para el tratamiento de fangos de EDAR o los residuos ganaderos. Proporciona una mayor homogeneidad al sustrato y un menor consumo energético en las bombas de trasiego. El material a tratar se puede almacenar a la entrada del digestor de forma automática. El tiempo de residencia es más corto que en la vía seca y los procesos bioquímicos son más rápidos. Se consume más agua y, obviamente, mayores efluentes. La Figura 47.2 muestra un esquema de la biometanización Linde-KCA.

Metanización seca

El contenido de sólidos a la entrada del digestor oscila del 20 al 40%. En teoría, la producción de gas es mayor, por volumen de reactor. Se pueden añadir materiales de poca biodegradación, como el papel o el cartón. Es preciso triturar adecuadamente (mayor consumo energético). Se emplea menos volumen de agua y la cantidad de efluentes a depurar será también menor. El pretratamiento preciso es más caro que en el caso anterior (los inertes no deben tener un tamaño superior a 10 mm). La Figura 47.3 muestra un esquema de la biometanización Linde-BRV, también semejante a la Dranco. Como todos los procesos de conversión energética de baja temperatura, los denominados biológicos, en contraposición a los termoquímicos precisan de grandes inversiones y la relativamente baja cantidad de biogás producido, obligan a un análisis profundo y en detalle de cada instalación antes de decidir la conveniencia de instalar un sistema de digestión. Una variante del proceso es el que se emplea para la valorización energética de los residuos ganaderos. Las deyecciones ya contienen una can-

Figura 47.3. Principio de biometanización por vía seca.


tidad importante de agua, puesto que se recogen conjuntamente las heces y los orines, a la que se añade el agua de limpieza de los establos. Un exceso de agua de limpieza, como es habitual en las explotaciones actuales, baja la concentración de sólidos hasta niveles cercanos al 1%, de manera que hace inviable el proceso de digestión anaerobia, al menos desde el punto de vista económico. La forma y diseño de los digestores es muy crítico: •

• • •

Por lo general los tanques son cilíndricos (diámetros de 6 a 40 m y alturas de 6 a 15 m). Los fondos son inclinados. Las tapas pueden ser flotantes o incluso disponer de un gasómetro incorporado. El diseño oval es muy apropiado, pero caro. La razón es que en la parte inferior se aprovecha para la reintroducción de gas y ello hace que el digestor no presente zonas muertas.

RENDIMIENTO DEL GAS DE METANIZACIÓN Por lo general la producción de biogás se sitúa en el intervalo: 0,75 – 1 m3/kg SV tratado Una tecnología a tener en cuenta es el uso de los ultrasonidos, que rompe las paredes celulares, lo que degrada la materia orgánica, y la hace más digerible por parte de las bacterias. Con ello la generación de biogás aumenta en un 30%. Otra posibilidad es la co-digestión con la que es fácil alcanzar la autonomía energética de la planta, por ejemplo, en las de tratamiento de deyecciones ganaderas. Este proceso bioquímico descompone la materia orgánica presente en la biomasa. Se obtiene una mezcla de productos gaseosos, el biogás, formada principalmente por metano y dióxido de carbono, junto con un residuo semisólido, tipo lodo o fango, que tendrá una mayor concentración en nutrientes que la biomasa inicial. La digestión anaerobia, como método de tratamiento de residuos, permite reducir la cantidad de materia orgánica contaminante y, al mismo tiempo, producir energía. El que uno de estos dos objetivos predomine sobre el otro

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depende de las necesidades de descontaminación del medio y/o la naturaleza y origen del residuo. Este tipo de proceso se está utilizando desde hace muchos años con el objetivo de someter a los residuos a un proceso de estabilización, sin que se prestara atención al tipo de producto obtenido. Sin embargo, en los últimos años, la situación ha cambiado. Se ha estudiado en profundidad el proceso con el objetivo simultáneo de conseguir estabilizar el residuo y obtener unos productos con un alto contenido energético, intentando que la obtención de metano a partir de la biomasa resulte competitiva. El potencial calorífico superior de 1 m3 de biogás es de 23.000 kJ aproximadamente. El tipo de biomasa que es tratada en un proceso de digestión anaerobia suele ser biomasa residual procedente de ganaderías y granjas, sobre todo estiércol de los animales. En general, es biomasa con un alto grado de humedad, y donde la materia orgánica se encuentra presente en azúcares, celulosa, hemicelulosa, proteínas y lignina. Hay que señalar, sin embargo, que no todas las sustancias orgánicas mencionadas presentan la misma predisposición a la descomposición bioquímica. Las más aptas a este tipo de proceso, y en orden decreciente, son los monosacáridos, hemicelulosa, celulosa, proteínas y lignina, verificándose que la misma sustancia en diferentes substratos presenta comportamientos diferentes frente a la digestión anaerobia, y el resultado es que la fracción transformada varía. La digestión o fermentación anaerobia de compuestos orgánicos es un proceso complicado en el que se producen un gran número de reacciones químicas y donde se presentan una gran variedad de bacterias, no siendo fácil conocer la secuencia exacta en la que se suceden todos los pasos del proceso. Sin embargo, sí se sabe que la fermentación anaerobia se desarrolla en tres etapas: •

Primera etapa: hidrólisis. En esta etapa, las bacterias, principalmente celulolíticas, actúan sobre la materia orgánica transformándola en monómeros, de fórmula molecular más simple y soluble. En la fase de hidrólisis se produce una despolimerización de las macromoléculas, que se transforman en moléculas más simples, a su vez estas moléculas se convierten en ácidos grasos durante la fase de acidogénesis. En la etapa de

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hidrólisis, un ejemplo de ello, las transformaciones de las moléculas más frecuentes en la biomasa, son: — Los lípidos pasan a ácidos grasos. — Los polisacáridos a monosacáridos. — Las proteínas a aminoácidos. — Los ácidos nucleicos a purina y pirimidinas. •

•

Segunda etapa: acetogénica. Los monómeros obtenidos son atacados por otro tipo de bacterias produciendo ácidos orgánicos de cadena corta, principalmente el ácido acético, y dióxido de carbono e hidrógeno (también algunos alcoholes y aldehídos). Esto se produce en la fase de homogenización. Tercera etapa: metanogénicas. Las sustancias producidas en etapas anteriores son atacadas por las bacterias denominadas metanogénicas, que necesitan encontrarse en una atmósfera con ausencia de oxígeno. Éstas producen la formación de metano y

dióxido de carbono. Las bacterias metanogénicas son organismos clave en el digestor, su desarrollo es muy lento y son extraordinariamente sensibles a las variaciones que se producen en el medio que las alberga. La Figura 47.4 esquematiza las diversas etapas de la fermentación anaerobia. Existen dos grandes clases de bacterias metanogénicas, cuyas temperaturas de desarrollo son muy diferentes: • •

Las bacterias mesófilas, cuya temperatura óptima está entre 35 y 45 ºC. Las bacterias termófilas, para las que la temperatura oscila de 50 a 60 ºC.

Se puede obtener metano también a partir del hidrógeno y el dióxido de carbono producido en la segunda etapa, pero en cualquier caso hay que señalar que la producción de metano está principalmente controlada por las bacterias metanogénicas. Además de la temperatura, hay otras condiciones

Figura 47.4. Etapas de la fermentación anaerobia.


en las que se realiza el proceso que tienen una gran influencia sobre el desarrollo del mismo. Las variables más influyentes son la acidez (pH), el contenido en sólidos, el tipo de sustancias y el tiempo de retención. El pH tiene que estar muy controlado, debe mantenerse entre 6,5 y 8. Fuera de este rango las bacterias no se desarrollan. El rango de trabajo más adecuado es de 6,6 a 7,6. El pH influye sobre la cantidad de biogás producida y sobre la proporción de metano. El contenido en sólidos debe ser bajo, entre el 10% y el 12%, por lo que el grado de humedad será alto. Las bacterias necesitan un medio fluido para su desarrollo, pero con una concentración adecuada de nutrientes. Es necesario que, aproximadamente, el 10% del total de biomasa seca esté constituida por nitrógeno, y que un 2% sea fósforo. Además, deberá haber potasio y sales minerales, y no deberán encontrarse sustancias tóxicas como metales pesados o pesticidas, ya que impiden el buen desarrollo del proceso. El tiempo de retención dependerá de las características de la biomasa que se vaya a tratar, oscilando entre tres y treinta días.

•

•

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ca y pocas vías de gestión. Además la codigestión potencia la generación de biogás. La preparación o pretratamiento. Para ello se debe usar una trituración previa, para el caso de la FORM, una mezcla íntima y finalmente los denominados pretratamientos que tienen por objeto romper las paredes celulares, como los ultrasonidos, la hidrólisis térmica y la cavitación hidrodinámica. El régimen de proceso: mesófilo o termófilo. Éste último produce bastante más biogás, si bien también es más propenso a problemas. Entre otros motivos porque las cepas bacterianas son mucho más reducidas.

LA VALORIZACIÓN ENERGÉTICA DEL GAS DE DIGESTOR Las cifras de conversión biomasa/biogás que aparecen en la literatura especializada, muy abundante, rara vez hacen referencia a la estructura y forma del pretratamiento. Haciendo una metáfora con el metabolismo de los animales superiores habría que reflexionar sobre lo que nos pasaría a los humanos si ingiriéramos alimentos sin apenas masticar y fueran a parar directamente al intestino. De hecho el digestor se asemeja al intestino. Ello mismo explica por qué los rumiantes, a través de sus ventosidades, generan tanta cantidad de metano. La misión, desde un punto de vista energético, de un digestor consiste en generar la máxima cantidad de biogás y ello, al margen de la calidad intrínseca de la biomasa, dependerá de: •

La mezcla a la entrada. Por ejemplo, la Figura 47.5 propone la digestión de fangos de EDAR con la FORM (fracción orgánica de los residuos municipales). Ambos tienen una importante cantidad de materia orgáni-

Figura 47.5. Gestión energética de un digestor.

Finalmente cuando se ha generado el biogás se debe llevar a cabo un análisis para determinar cuál va a ser el sistema de valorización energética más adecuado: •

Un motor de cogeneración, como indica la Tabla 47.1, tiene un aceptable rendimiento eléctrico, la disipación del agua caliente se aprovecha para calentar el digestor y hay que buscar una aplicación para los gases calientes (al menos en las EDAR).

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Tabla 47.1. Posibilidades de aprovechamiento energético del biogás.

•

•

Sistema

Rendimiento eléctrico

Calor gases

Calor agua

Microturbinas

13 – 27%

∼ 70%

-

Motores

30 – 37%

∼ 30%

∼ 30%

Ciclo Rankine

16 – 22%

-

-

ORC.

14 – 19%

-

-

La microturbina, con potencias comerciales hasta 200 kW(e), son fáciles de instalar y fiables. El problema estriba en ver la manera de valorizar los gases calientes. Para plantearse la instalación de un ciclo de Rankine o el orgánico ORC se debe partir de cantidades muy importantes de biogás.

A partir de la publicación en mayo de 2007 del RD 661/2007, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial,

se ha acelerado la instalación de plantas generadoras de biogás ya que es uno de los recursos energéticos mejor remunerados. Sin embargo, antes de tomar la decisión, es preciso realizar un estudio completo para no llevarse una sorpresa. Así, en el caso de la EDAR, la instalación de un sistema que permita la venta de electricidad parece atractiva, pero no hay que olvidar que la factura más importante de la EDAR es la gestión de fangos. Ello conduce a una reflexión: ¿No sería mejor usar térmicamente el biogás para reducir el volumen de fangos?

La valorización por medio de la pirólisis La pirólisis, igual que la gasificación, no es tratamiento final sino una etapa intermedia. Así un residuo sólido se transforma, según la caracterización y el nivel de temperatura, en una fracción gaseosa, otra líquida (en fase vapor a esta temperatura) y otra sólida (coque). La fracción gaseosa resultante del proceso, gas de pirólisis, es combustible, y está constituida por hidrógeno, monóxido de carbono, metano, etano y etileno, aunque su composición cuantitativa varía de forma sustancial con la temperatura de operación. Además, el porcentaje de metano depende mucho del contenido en humedad de la biomasa de partida. El poder calorífico del gas de pirólisis, muy superior al gas de síntesis procedente de la gasificación, oscila entre 3,8 y 15,9 MJ/m3. Estos valores pueden aumentarse hasta 16,7-20,9 MJ/m3 mediante la pirólisis flash, que consiste en elevar fuertemente la tempe-

ratura de la biomasa a gran velocidad (unos 1.000 ºC en un segundo), de forma que se produzca una pirólisis total (craqueo incluido), lo que evita la producción de alquitranes y mejora considerablemente el rendimiento del gas. En el caso de producción de combustibles líquidos y carbón, se requiere una alimentación con humedad baja y constante, para lo cual se realiza una desecación previa, utilizando los gases de la propia pirólisis. En este caso, el poder calorífico del combustible líquido oscila alrededor de los 25,1 MJ/kg, mientras que el del coque producido se encuentra sobre los 20,9 MJ/kg. En cuanto a rendimientos, se pueden llegar a obtener, por cada tonelada biomasa seca, unos 225 kg de líquidos y 75 kg de coque. En los últimos tiempos se está investigando mucho para transformar, mediante pirólisis, el fango de depuradora en biocarburante.

La gasificación mediante una oxidación parcial a temperatura elevada convierte una materia combustible o residual en un gas de síntesis de moderado poder calorífico.

La depuración y limpieza de los gases de síntesis es imprescindible para su uso posterior. En el caso de empleo de biomasa y residuos, el tratamiento de gases después de la valorización ener-


gética es imprescindible y, de hecho, constituye la parte más crítica de la instalación. Las etapas principales del proceso de gasificación son: • • •

Secado: evaporación de la humedad contenida en la biomasa. Craqueo: degradación térmica en ausencia de oxígeno. Gasificación: oxidación parcial de los productos de pirólisis.

El gas de síntesis de biomasa tiene un PCI moderado (véase la Tabla 46.7), sobre todo si el agente gasificante ha sido el aire, sin embargo se puede oxidar perfectamente en una cámara de oxidación y valorizarlo en una caldera de vapor, o bien enfriarlo y, una vez depurado, valorizarlo en un motor de combustión interna. La biomasa se puede gasificar con diversas tecnologías de gasificación que, básicamente, se diferencian por el tipo de reactor. La práctica totalidad de los gasificadores existentes pertenecen a alguno de los tipos descritos a continuación: •

Lecho descendente o fijo: es la técnica más antigua y la que cuenta con mayor número de instalaciones industriales, principalmente aplicadas al carbón. Se puede usar tanto con aire solo, como con oxígeno y vapor de agua, que son introducidos por la parte inferior en contracorriente con el sólido que se alimenta por la cabeza del gasificador. La

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•

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extracción de cenizas suele hacerse por la parte inferior del lecho. El sólido requiere un troceado y un cribado previo para evitar la alimentación de partículas demasiado finas que pudieran ser arrastradas por la corriente gaseosa. La eficiencia del sistema es relativamente buena pero los gases contienen una elevada cantidad de alquitranes. Lecho fluidizado: son gasificadores de construcción más compleja que los de lecho fijo. El sólido se alimenta con un tamaño más fino que en el caso anterior, inyectándose el agente gasificante por la parte inferior. La reacción tiene lugar con el sólido suspendido en la corriente gaseosa, lo que facilita el contacto entre ambas fases. La extracción de las cenizas suele hacerse por el fondo. Corriente de arrastre: el sólido finamente pulverizado es introducido en el reactor donde una corriente gaseosa lo arrastra, produciéndose la gasificación de modo casi instantáneo. La temperatura de reacción es elevada, lo que evita la formación de impurezas en el gas. La escoria fundida suele extraerse por la parte inferior.

Las posibilidades de aplicación del gas de síntesis, como indica la Figura 47.6, son muy variables. Finalmente debe añadirse que las aplicaciones térmicas del gas de síntesis para generar calor son mucho más sencillas que aquellas encaminadas a producir electricidad.

Figura 47.6. La gasificación de la materia orgánica.

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[= La combustión se define como una oxidación rápida de la materia combustible con desprendimiento de calor. Así pues, se precisa, en primera instancia, que el residuo a oxidar tenga, al menos, uno de los tres únicos elementos susceptibles de combinarse con el oxígeno con liberación de calor: C, H y S. Otro factor indispensable es la mezcla íntima y adecuada del combustible (los volátiles) y el comburente, que suele ser aire. Seguidamente, cuando la mezcla es la correcta, se debe producir la ignición. A partir de este momento el calor generado permite mantener un nivel de temperatura que asegure la continuidad de la reacción. Las reacciones de combustión pueden llevarse a cabo con el aire justo: reacción estequiométrica. Con exceso de aire, en este caso hay oxígeno en los gases producto de la combustión (caso típico de la incineración). O con defecto de aire, ahora en los gases de combustión se detecta la presencia de inquemados (como acontece con la gasificación). La incineración es la forma más antigua y más común, hasta hoy, para extraer la energía de la biomasa. Los sistemas de combustión directa se aplican para generar calor, el cual puede utilizarse directamente, como por ejemplo, para la cocción de alimentos o para el secado de productos agrícolas. Además, este se puede aprovechar en la

producción de vapor para procesos industriales y electricidad. Las tecnologías de combustión directa van desde sistemas simples, como estufas, hornos y calderas, hasta otros más avanzados como combustión en lecho fluidizado. Los procesos tradicionales de este tipo, generalmente, son muy ineficientes porque mucha de la energía liberada se desperdicia y pueden causar contaminación cuando no se realizan bajo condiciones controladas. Estos resultados se podrían mejorar considerablemente con prácticas optimizadas de operación y un diseño adecuado del equipo. Por ejemplo, secar la biomasa antes de utilizarla reduce la cantidad de energía perdida por la evaporación del agua y para procesos industriales, usar pequeños pedazos de leña y atender continuamente el fuego supliendo pequeñas cantidades resulta una combustión más completa y, en consecuencia, de mayor eficiencia. Asimismo, equipos como los hornos se pueden mejorar con la regulación de la entrada del aire para lograr una combustión más completa y con aislamiento para minimizar las pérdidas de calor. La Figura 47.7 muestra un esquema de lo que realmente acontece en la superficie de la parrilla durante el proceso de incineración. En primer lugar, una etapa de secado, puesto que los combustibles,

Figura 47.7. Superposición de procesos en una parrilla de incineración.


en particular los residuos, suelen entrar en el horno con una humedad importante. A continuación tiene lugar una etapa de pirólisis y gasificación. Ello es debido a que el aire primario que penetra por la parte inferior de la parrilla no es suficiente para

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provocar la combustión de la fracción orgánica a CO2 y H2O, en realidad salen muchos otros gases, la mayoría combustibles. Finalmente en la última etapa, en la parrilla, se efectúa la combustión propiamente dicha.

Figura 47.8. Balances de masa y energía comparados de los sistemas de conversión de energía.

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En el presente apartado se lleva a cabo una comparación, en términos aproximados de balance másico (en aras a una didáctica más clara se supondrá que la materia está seca) y energético entre los tres sistemas susceptibles de producir gases combustibles: • • •

La digestión anaerobia. La pirólisis. La gasificación.

La Figura 47.8 reproduce los balances de forma genérica y cualitativa. Se ha elegido un combustible con un 35% de materia inorgánica, como podría ser un típico fango de EDAR. En cuanto al balance de masa hay que resaltar: •

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•

En el caso de la digestión anaerobia no se tiene en cuenta el agua. Como se sabe esta es una parte fundamental y, en este caso, mayoritaria, ya que puede representar más del 90% de la masa que se introduce en el digestor. Además, sin ella el proceso no se desarrollaría. En el caso de la pirólisis, se supone el combustible sin humedad (según la tecnología, acepta hasta un 20% de agua de humedad). Al final del proceso, la fracción inorgánica sale mezclada con el coque. En el caso de la gasificación no se cuenta el aire de gasificación, partida muy importante.

La misma figura, a la derecha, simboliza el balance energético, partiendo de la base de que el 100% de la energía entrante en el sistema procede de la fracción orgánica. Tampoco se tienen en cuenta las pérdidas de calor del sistema. Para entender el gráfico hay que señalar: •

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En el caso de la digestión anaerobia una parte del biogás generado se invierte en el calentamiento del digestor. La parte mayoritaria de la energía se evacua con los fangos (parte no transformada). En el caso de la pirólisis una fracción importante del gas producido se invierte en el mismo proceso para el calentamiento del reactor. En términos generales, la mitad de la energía permanece en el coque. Para valorizar energéticamente el coque se debe recurrir a la incineración. Una posibilidad de optimización energética del proceso estriba en aprovechar el calor de la incineración del coque para calentar el reactor y así destinar toda la fracción gaseosa a la generación de electricidad. En el caso de la gasificación, entre el 75% y el 80% de la energía entrante en el sistema se transfiere al gas de síntesis.

De ello se deduce que, al margen de la presentación física del combustible, el sistema más eficiente de conversión de energía es la gasificación.

Las microalgas y los carburantes del futuro

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LAS MICROALGAS SON LOS ÚNICOS VEGETALES CAPACES, EN TEORÍA, DE PRODUCIR TODOS LOS CARBURANTES QUE SE PRECISAN •

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Parece el sueño de cualquier científico: conseguir un combustible de características similares al petróleo, que no se agote, utilizable en los vehículos actuales y que, además, no sólo no produzca más CO2 sino que ayude a reducir las emisiones de este gas culpable del calentamiento global del planeta. El rendimiento fotosintético de las algas (transformación de energía solar en biomasa) hace que estos vegetales sean, con diferencia, los más eficientes del planeta. A diferencia de lo que comúnmente se piensa, el gran pulmón de la tierra no es el Amazonas, pues de día produce oxígeno y toma CO2, pero de noche realiza el proceso contrario, sino que son los océanos; y la ventaja, de un próximo futuro, será que el biopetróleo se producirá aplicando al fitoplancton luz solar y dióxido de carbono. Como estrategia de supervivencia (flotación) muchas microalgas generan gran cantidad de lípidos. Mientras que de las semillas terrestres (soja, colza, palma, etc.) el rendimiento medio oscila de 50 a 500 m3 de aceite por km2 y año, con las microalgas se llega a 10.000-20.000 m3/km2. Partiendo de la base de que un automóvil consume 1 m3 diesel/año y que el parque automovilístico es de 20.000.000 de unidades, un cultivo de aceite precisaría 80.000 km2 (un 16% de la superficie de España), algo imposible, mientras el equivalente de microalgas solo ocuparía 1.500 km2 de litoral, algo asequible que podría intentarse. En diez años el consumo específico de los vehículos se espera que se reduzca por debajo de los 5 l/100 km, equivalentes a 105 g CO2/km, con lo que las necesidades de carburante serían mucho menores. Por término medio la biomasa de las microalgas está constituida por 20-30% de lípidos, 40-50% de proteínas y la parte restante subdividida entre los carbohidratos, que en algunas especies pueden llegar hasta el 55% de la biomasa, y otros compuestos de importancia menor. Las microalgas pueden cultivarse bajo condiciones agroclimáticas muy duras. Se reproducen durante todo el año. Dependiendo de las especies, las microalgas producen diferente tipos de lípidos, hidrocarburos y otros aceites complejos, de los cuales no todos son adecuados para hacer biodiesel. El contenido de aceite en microalgas puede exceder el 80 % de peso de biomasa seca y los niveles del 20 al 50 % son bastante comunes.

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Existen numerosas especies de interés. Algunas producen mucho aceite mientras que otras generan carbohidratos y son candidatas para la obtención de alcoholes. Ninguna de ellas compite con los alimentos destinados a los humanos y animales. Del alga seca puede llegar a extraerse hasta un 75% de aceite. Un complemento muy importante, en el proceso de tratamiento de algas, es la obtención de bioalcoholes, los que ayudan a cerrar el ciclo de las materias primas y rentabilizar el proceso. La mejora de los procesos tecnológicos y diseños de sistemas integrados para el uso de subproductos generados en el cultivo de microalgas, permitiría optimizar la relación costo-beneficio en los proyectos. Es preciso introducir sistemas de mejora de rendimientos en la obtención del biodiesel. Uno importante es mediante la gasificación, la conversión de la glicerina (residuo) en metanol que puede volver a usarse en el proceso de esterificación, cerrar el ciclo de materias (eliminar los residuos secundarios). Las microalgas tienen un crecimiento exponencial (entre dos y tres veces al día) y asexuado, y presentan una eficiencia fotosintética entre tres y seis veces la de los cultivos terrestres. Las microalgas, gracias a su simplicidad estructural tienen una eficacia fotosintética claramente superior y según las condiciones ambientales y de cultivo, pueden alcanzar hasta 4-8%. Así por ejemplo, se tienen estimaciones de productividades tan altas como 60-80 toneladas de peso seco por hectárea y año; en contraste con cultivos convencionales que producen del orden de 10-30 toneladas/año. Esta característica las hace extremadamente productivas En el cultivo, su concentración es muy elevada, superando los 150 millones de células por mililitro. El cultivo de microalgas puede llevarse a cabo en carruseles (sistemas abiertos) o biorreactores (sistema cerrado). La obtención de aceite de la microalga se hace, primero por el prensado y después por la extracción con hexano o CO2 supercrítico. El CO2 es imprescindible para el crecimiento de las microalgas, lo que supone una gran oportunidad para el secuestro de este gas. Entre las algas que se utilizan para este fin, figura una perteneciente al grupo de las cocolitoforales, la Discosphaera tubifera, este organismo, junto con el resto de especies de su grupo, es el que más CO2 fija del planeta. En una torre de 1 m2 de superficie se puede generar, en un sólo día, el producto energético equivalente al que generan 1.000 m2 cultivados con girasoles en un año. Cada torre de 3 m3 de agua puede fijar 150 kilogramos de CO2 por hora. Diversos subproductos de la extracción del aceite pueden comercializarse debido al gran contenido de proteínas y carbohidratos. Otra gran oportunidad es la generación biológica de hidrógeno. En un clima como el de España, y para una extensión de 50 hectáreas (5.000 toneladas/año), la inversión para la producción de aceite a partir de microalgas se reparte en un 60% en los sistemas de cultivos y un 40% para los sistemas de conversión. La obtención de aceite para biocombustibles a partir de microalgas no depende del precio del mercado o de la disponibilidad de la biomasa.

Introducción Los biocarburantes o biocombustibles son combustibles que se generan a partir de procesos biológicos, son de origen biológico no fosilizado.

Al tratarse de recursos inagotables, son una buena opción para reemplazar los combustibles que se producen a partir del petróleo. Este tipo de bio-


combustibles, se caracterizan por la posibilidad de aplicación a los actuales motores de combustión interna, y ya se fabrican vehículos que están diseñados para funcionar con este tipo de carburantes. Las microalgas constituyen un grupo muy diverso de organismos unicelulares que comprenden a protistas eucarióticos y a cianofíceas del reino procariótico. Se consideran uno de los grupos de organismos más versátiles en relación a su tamaño, forma y función ecológica. De la misma manera que las plantas, convierten la energía solar en energía química mediante la fotosíntesis. Forman la base de la cadena alimenticia para más del 70% de la biomasa mundial, y se consideran maquinarias fotosintéticas generadoras de pigmentos con una adaptación ecofisiológica y plasticidad bioquímica única, lo que les permite la bioconversión directa de la energía solar en compuestos químicos, bajo una variedad de condiciones medioambientales y a una velocidad mayor que cualquier otra fuente vegetal. Además de ser productores primarios de los ambientes acuáticos, estos microorganismos fotosintéticos son útiles en aplicaciones de biorremediación, y como biofertilizantes fijadores de nitrógeno. Hoy es indiscutible la importancia económica de las microalgas que, a diferencia de las plantas superiores, contienen relativamente pequeñas cantidades de material estructural y muchos de los componentes celulares son de reconocido valor económico. Contienen una gran cantidad de pigmentos esenciales que bajo la acción de la luz solar y de sustancias inorgánicas simples como dióxido de carbono, compuestos nitrogenados y fosforados, a través del proceso fotosintético, son transformados en compuestos orgánicos complejos como carbohidratos, lípidos, proteínas, etc., que posteriormente se acumulan en las células y en los tejidos de los organismos simples y superiores. Por el proceso de fotosíntesis también regulan el contenido de oxígeno y dióxido de carbono en la atmósfera, colaborando en el control del efecto invernadero, las lluvias ácidas y el adelgazamiento de la capa de ozono. Los biocombustibles obtenidos de las algas se constituyen como una alternativa económicamente viable, debido a los cuestionamientos que se le vienen dando a los biocombustibles obtenidos de plantas terrestres. Los biocombustibles más comunes son el biogás, el bioetanol y el biodiesel, los

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mismos que pueden obtenerse mediante el procesamiento de las algas. Los biocombustibles cada día están adquiriendo más importancia, debido al potencial que tienen para sustituir a los combustibles de origen fósil, que son altamente contaminantes. Gracias a este creciente interés, la tasa de crecimiento de la producción de biocombustibles en todo el mundo es del 15% al año. Aun cuando la producción de biocombustibles se presenta como “amigable” al ambiente, han surgido una serie de cuestionamientos debido a que se están afectando los bosques naturales para ampliar los terrenos cultivables, se está reemplazando el cultivo de productos alimenticios, se incrementa el uso de fertilizantes y pesticidas, además de la quema de algunas cosechas. Las investigaciones para la obtención de biocombustibles desde las algas no son nuevas; no obstante, en los últimos años se le está prestando la debida atención. Las algas tienen una mayor productividad que las plantas terrestres, y no compiten con ellas por el terreno; además se debe considerar que las algas se pueden cultivar en zonas marinas o en tierra, obteniéndose varias cosechas al año. Las algas prometen ser la alternativa ambiental, y económicamente son más factibles que los combustibles fósiles. Por otro lado, las algas tienen un bajo contenido de celulosa, lo que las convierte en un material adecuado para la degradación biológica. Asimismo, las algas producen naturalmente aceite; alternativamente otras especies de algas que generan más carbohidratos y menos aceite pueden ser procesados y fermentados para producir etanol. Véase esquema sintético en la Figura 48.1. Desde 1978 hasta 1996, el Departamento de Energía de EE UU, en un programa conocido como Aquatic Species Program, desarrolló diversas investigaciones para identificar las microalgas con alto contenido en aceites, que puedan ser cultivadas con la finalidad de producir biodiesel. Los resultados de este programa establecieron que algunas especies de microalgas son ideales para la producción de biodiesel, debido a su alto contenido de aceite (más de 50%) y su rápido crecimiento; no obstante, primero se deben resolver algunos problemas referidos principalmente a los costos de producción.

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Figura 48.1. La mitosis en el ciclo de los biocarburantes.

Hasta la fecha, dentro de este programa, se ha desarrollado un ambicioso estudio sobre la producción de biodiesel a partir de las microalgas. No obstante, en la actualidad existen muchos países tratando de mejorar las técnicas de cultivo de las microalgas, con la finalidad de volverlos más sencillos y rentables. Algunos estudios iniciales sugirieron que la energía producida por el cultivo de microalgas era mucho mayor que el biocombustible producido por las cosechas en tierra; y que si se intensifican las investigaciones en esta tecnología podrían producirse cantidades sustanciales de biocombustibles sin tener impactos en el uso de los suelos. Así, la producción de aceite a partir de microalgas es mayor que las tradicionales semillas oleaginosas. En este sentido, algunas estimaciones realizadas

indican que soja, colza y palma aceitera producen al año 50 m3/km2, de 100 a 140 m3/km2 y 610 m3/ km2, respectivamente, mientras que las microalgas pueden producir de 10.000 a 20.000 m3/km2 en el mismo periodo de tiempo. En España, si ninguna otra empresa se adelanta, Biocarburantes Bahía de Santander, dentro del grupo European Algae Biomass Association (EABA), se puede convertir en la primera que ponga en marcha una planta de producción de biodiesel a partir de microalgas, situándose en el polígono industrial de La Vega, en Reinosa (Cantabria). El proyecto industrial lleva aparejado un programa de I+D+i con la Universidad de Cantabria para estudiar el cultivo de microalgas y la obtención de aceites. La finalización de la construcción está prevista para 2011, con una producción de 100.000 toneladas al año de biodiesel.

Especies, tipos y características Por el tamaño, las algas se pueden clasificar en dos grandes grupos: microalgas y macroalgas. Las microalgas son microorganismos con clorofila y otros pigmentos, con multitud de formas, tamaños y colores (más de 30.000 especies) que desarrollan fotosíntesis oxigénica. Ocupan prácticamente todos los hábitats, son muy variadas y se pueden clasificar siguiendo diferentes criterios. Por el tipo

de agua donde viven, las microalgas pueden ser de agua dulce, agua salada y mezclas de agua dulce con agua salada. Se clasifican hasta en diecisiete clases que se diferencian por seis criterios: 1. Pigmentos fotosintetizadores. Pueden ser algas verdes, algas rojas, algas pardas o algas azul-verdes.


2. Estructura del cloroplasto. 3. Naturaleza química de la pared celular. 4. Naturaleza química y almacenamiento de los productos de reserva. 5. Características asociadas al aparato flagelar. 6. Características citológicas. Algunos de los tipos más importantes en las que se clasifican las microalgas son: •

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Diatomeas (Bacillariophyceae): dominan en el fitoplancton de los océanos. También pueden encontrarse en agua fuera de los océanos. Existen alrededor de cien mil especies conocidas. Contienen sílice polimerizado en sus paredes celulares. Todas sus células almacenan carbón en diversas formas. Almacenan carbón en forma de aceites naturales o como polímeros de carbohidratos. Alga verde (Chlorophyceae): son también muy abundantes, particularmente en aguas continentales (lagos, ríos, albercas). Pueden presentarse como unicelulares o en colonias. Son ancestros de las plantas actuales. Almacenan principalmente almidón, pero también pueden producir aceites bajo ciertas condiciones. Alga azul-verdosa (Cyanophyceae): esta se asemeja a las bacterias en cuanto a estructura y organización. Realiza una función importante en la fijación de nitrógeno atmosférico. Existen alrededor de dos mil especies conocidas y se encuentran en hábitats diversos. Alga dorada (Chrysophyceae): este grupo de algas es similar a las diatomeas en su composición bioquímica y pigmentación. Tiene sistemas de pigmentación más complejos y pueden ser amarillas, cafés o anaranjadas. Existen alrededor de mil especies conocidas, y se encuentran principalmente en sistemas de aguas continentales. Produce y almacena aceites naturales y carbohidratos.

Algunos aspectos generales sobre microalgas, en relación a su capacidad de producir combustibles, pueden resumirse en:

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1. La mejora de los procesos tecnológicos y diseños de sistemas integrados para el uso de subproductos generados en el cultivo de microalgas, permitiría optimizar la relación costo-beneficio en los proyectos. 2. Para producir biodiesel no únicamente se requiere el bioaceite, sino también alcohol (metanol o etanol) que constituye alrededor del 10% del volumen total en la producción. Uno de los métodos para producir alcohol es mediante hidrólisis y fermentación de celulosa vegetal. 3. Las microalgas pueden cultivarse bajo condiciones agroclimáticas difíciles, como por ejemplo en desiertos. El costo de cosecha y transporte es menor comparado con el de los cultivos agrícolas, y su pequeño tamaño permite opciones económicas de procesamiento. 4. En la producción de energía a partir de la biomasa en microalgas, se presentan dos particularidades básicas, dependiendo del organismo en particular y del tipo de carbohidratos que produce. El primero es simplemente la conversión biológica de nutrientes a lípidos y carbohidratos. El segundo, implica tratamiento termoquímico de la biomasa para obtener carbohidratos utilizables. 5. Lípidos y carbohidratos se encuentran normalmente almacenados en la biomasa de las células de microalgas. En algunos casos, la composición de los lípidos puede regularse mediante la adición o restricción de algunos componentes en su dieta. Restringir las fuentes de nitrógeno o sílice, así como de otros factores de estrés, puede incrementar la producción total de lípidos. 6. El tipo y cantidad de lípidos y carbohidratos producidos por microalgas se encuentran relacionados frecuentemente con factores del medio ambiente como luz, temperatura, concentración de iones y pH. No es raro encontrar niveles de lípidos entre 20 y 40% de la materia seca. En ocasiones los niveles de lípidos en microalgas son extremadamente altos. En la especie denominada Botryococcus, la concentración de carbohidratos en materia seca puede exceder de 90% bajo ciertas condiciones.

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7. La cosecha y manejo de microalgas puede ser conveniente en procesos termoquímicos de licuefacción. Las microalgas pueden convertirse en materia aceitosa en condiciones de elevada temperatura y alta presión. Rendimientos entre 30 y 40% de aceite pesado son posibles de esta forma. Este aceite puede convertirse en biodiesel mediante proceso de transesterificación.

8. En casos donde los carbohidratos son anabólicos por microalgas, la extracción directa es la forma más simple y efectiva para obtener estos productos. La de los lípidos líquidos puede obtenerse mediante el uso de disolventes, prensado directo o combinación de ambos métodos.

Cantidades de microalgas de interés Con más de 40.000 especies identificadas y con muchas más aún sin identificar, los principales grupos de clasificación son: cianobacterias (Cyanophyceae), algas verdes (Clorophyceae), diatomeas (Bacillriophyceae), algas verde amarillas (Xanthophyceae), algas doradas (Rhodophyceae), algas cafés (Phaeophyceae), dinoflagelados (Dinophyceae) y pico planct (Prasinophyceae y Eustigmatophyceae). Dentro de las especies clasificadas taxonómicamente también existen subdivisiones y cepas, muchas de ellas de interés económico y científico. La habilidad de las algas para sobrevivir y proliferar en un amplio rango de condiciones ambientales se expresa en la tremenda diversidad de compuestos biosintetizados por estos organismos, en particular los lípidos, cuyas características pueden verse modificadas como respuesta metabólica que busca mejorar la eficiencia de uso de energía en función de las cambiantes condiciones ambientales a las que se vea sometido. Actualmente se estudian las siguientes especies de algas en varias partes del mundo para la producción de aceite: • •

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Neochloris oleoabundans, es una microalga que pertenece a la clase Chlorophyceae. Scenedesmus dimorphus, es una alga unicelular que pertenece a la clase Chlorophyceae. Es una de las especies preferidas para la producción del aceite para biodiesel, uno de los problemas con el Scenedesmus es que es pesado, y forma sedimentos espesos si no se agita de manera constante. Euglena gracilis. Phaeodactylum tricornutum, es una alga diatomea.

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Pleurochrysis carterae, es una alga Coccolithophorid unicelular que tiene la capacidad de calcificarse subcelularmente. Pertenece al grupo Haptophyta (Prymnesiophyceae). Prymnesium parvum es una alga tóxica. Tetraselmis chui, es una alga unicelular marítima. Tetraselmis suecica. Isochrysis galbana. Nannochloropsis salina, también llamada Nannochloris oculata. En el mismo grupo también están Nannochloris atomus Butcher, Nannochloris maculata Butcher, Nannochloropsis gaditana Lubian y Nannochloropsis oculata. Botryococcus braunii puede producir hidrocarbonos de cadena larga que representan el 86% de su peso seco. La alga verde Botryococcus es única por la calidad y la cantidad de hidrocarbonos líquidos que produce. Algunos científicos piensan que los antepasados de Botryococcus son responsables de muchos de los depósitos de combustible fósil del mundo. La Dunaliella tertiolecta tiene una producción de aceite aproximadamente del 37 % (base orgánica). D. tertiolecta es de crecimiento rápido y esto significa que tiene un ritmo de captación de CO2 también alto. Grupos de Spirulina. Esta alga es muy valiosa como comestible y se llega a pagar FOB origen: 7.000 €/tonelada, se presenta en bolsas de 25 kg. Chlorophyceae (algas verdes). Las algas verdes tienden a producir almidón más que


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lípidos. Las algas verdes tienen ritmos de crecimiento muy rápidos a 30 ºC y mucha luz. Bacilliarophy (algas diatomeas). Las algas diatomeas necesitan silicio en el agua para crecer, mientras que las algas verdes requieren nitrógeno. Bajo deficiencia nutritiva, las

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algas producían más aceite en términos de peso, sin embargo el crecimiento de algas también es considerablemente más bajo. Mientras ciertas variedades de algas verdes son muy tolerantes a fluctuaciones de temperaturas, las algas diatomeas soportan una gama de temperaturas bastante estrecha.

Microalgas y lípidos Dependiendo de las especies, las microalgas producen diferentes tipos de lípidos, hidrocarburos y otros aceites complejos, de los cuales no todos son adecuados para hacer biodiesel. El contenido de aceite en microalgas puede exceder el 80% de peso de biomasa seca y los niveles del 20 al 50% son bastante comunes. Los lípidos de las microalgas son principalmente ésteres de glicerol formados por ácidos grasos con cadenas constituidas de 14-20 átomos de carbono. Estos ácidos grasos pueden ser saturados o insaturados, y es justamente la presencia de ácidos grasos poliinsaturados (Poly Unsaturated Fatty Acids, PUFA) como ácido eicosapentaenoico, ácido arachidónico, ácido linoleico y ácido linolénico, que hacen extremadamente interesante el cultivo de estos microorganismos. Los triglicéridos son los lípidos de reserva por excelencia, pudiendo llegar a constituir hasta el 80% del total de la fracción lipídica total y se acumulan principalmente en forma de gotitas de aceite en el interior del citoplasma. Las otras clases de lípidos están representadas principalmente por lípidos polares que son componentes importantes de la membrana citoplásmica y la membrana tilacoidal que constituyen los cloroplastos. Entre los lípidos polares se encuentran los fosfolípidos y galactolípidos en porcentaje variable según las especies. La cantidad total de lípidos, así como la tipología de los ácidos grasos presentes, además de ser específica para cada especie, está ligada a factores ambientales como la intensidad luminosa, pH, salinidad, temperatura, concentración de nitrógeno y otros nutrientes en el medio de cultivo. Modificando uno o más de estos parámetros la alga reacciona modificando su perfil químico. Por ejemplo, la deficiencia de elementos nutri-

tivos como el nitrógeno limita la capacidad de crecimiento de las microalgas imposibilitando la síntesis de proteínas; pero en el caso de algunas especies como Nannochloropsis sp la carencia de nitrógeno es una condición imprescindible para obtener en tiempos relativamente breve un aumento importante del contenido lipídico celular. Generalmente se logra un aumento más sustancial de los triglicéridos con respecto a los lípidos de membrana. La senescencia también ha demostrado ser un elemento importante en la determinación porcentual del contenido de lípidos en la célula. El incremento de los triglicéridos respecto a todas las otras fracciones lipídicas es a lo que se apunta cuando las microalgas se usan como biomasa para la producción del biodiesel ya que el producto de partida de la transesterificación son los triglicéridos. Si bien el cultivo de microalgas a nivel industrial estaba bien desarrollado ya en los años 40, es en las últimas décadas que se han intensificado las investigaciones tendentes a mejorar los sistemas de producción. La acumulación de lípidos en algas se produce durante periodos de estrés ambiental, incluyendo crecimiento en medios con bajas condiciones de nutrientes. Para inducir estrés en cultivos para la producción de biodiesel una de las estrategias consiste en disminuir la ración de compuestos nitrogenados o inducir variaciones en la temperatura, el pH, inanición, etc. Algunos estudios sugieren que la enzima acetil-CoA carboxilasa puede estar involucrada en la producción de ácidos grasos, por lo que a través de la manipulación genética del gen que la codifica podría aumentarse la producción de lípidos a través del incremento de la actividad de la enzima.

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La alga seca retiene sus aceites que pueden extraerse mediante prensado (70 a 75% de aceite se obtiene de la materia seca) y en combinación con disolventes como hexano, benceno o éter. Existen riesgos de toxicidad y explosión en el uso de disolventes, el hexano es el que se usa mayormente. Después de haberse extraído aceite mediante prensado, la pulpa resultante se mezcla con ciclohexano para extraer el remanente de aceite. El aceite se disuelve en el ciclohexano, y la pulpa se filtra fuera de la solución. La separación de aceite y ciclohexano se efectúa mediante destilación. Con la combinación de estos dos procesos (prensado y disolventes) es posible obtener alrededor del 90% del aceite contenido en algas. No es necesario tratar los excedentes de agua después de su uso en el cultivo de alga, sino que se usa nuevamente en el flujo continuo del sistema. Esta agua contendrá en ocasiones residuos útiles de algas. Para el cultivo, habrá que añadir CO2 en cantidad proporcional a la cantidad de agua residual reutilizada. El esquema básico de producción está representado en la Figura 48.2.

Figura 48.2. Esquema básico de obtención de aceite.

La calidad del aceite dependerá del tipo de alga utilizada. Generalmente el aceite proveniente de algas puede compararse con el aceite de soja. La pulpa de algas (post-extracción del aceite) con-

tiene diversos compuestos nutritivos como ácidos grasos poli-insaturados de cadena larga; vitaminas y antioxidantes, como los betacarotenos. Puede utilizarse en las industrias alimenticias y farmacéuticas porque contienen también esteroles que pueden emplearse como elementos de construcción de hormonas. Además la cianobacteria es elemento potencial en aplicaciones biomédicas en compuestos anti-virales, antimicrobiales y anticancerígenos. El precio de la pulpa de alga en Holanda oscila entre 1,0 y 3,0 €/kg en 2007. La reacción química como proceso industrial utilizado en la producción de biodiesel es la transesterificación, que consiste, como indica la Figura 48.3, en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado. Todo este proceso se lleva a cabo en un reactor donde se producen las reacciones; después siguen las posteriores fases de separación, purificación y estabilización. Las tecnologías existentes pueden combinarse de diferentes maneras variando las condiciones del proceso y la alimentación del mismo. La elección de la tecnología será función de la capacidad deseada de producción, alimentación, calidad y recuperación del alcohol y del catalizador. En general, plantas de menor capacidad y diferente calidad en la alimentación (utilización al mismo tiempo de aceites refinados y reutilizados) suelen utilizar procesos por lotes o discontinuos. Los procesos continuos, sin embargo, son más idóneos para plantas de mayor capacidad que justifique el mayor número de personal, y requieren una alimentación más uniforme. El proceso discontinuo es el método más simple para la producción de biodiesel, donde se han reportado ratios 4:1 (alcohol:triglicérido). Se trata de reactores con agitación, donde el reactor puede estar sellado o equipado con un condensador de reflujo. Las condiciones de operación más habituales son a temperaturas de 65 ºC, aunque rangos de temperaturas desde 25 ºC a 85 ºC también han sido probadas. El catalizador más común es el NaOH, aunque también se utiliza el KOH, en rangos del 0,3% al 1,5% (dependiendo, que el catalizador utilizado sea KOH o NaOH). En el reactor


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Figura 48.3. Esquema del proceso de transesterificación.

es necesaria una agitación rápida para una correcta mezcla del aceite, el catalizador y el alcohol. Hacia el final de la reacción, la agitación debe ser menor para permitir al glicerol separarse de la fase éster. Se han publicado en la bibliografía resultados con rendimientos entre el 85% y el 94%. En la transesterificación, cuando se utilizan catalizadores ácidos se requieren temperaturas elevadas y tiempos largos de reacción. Algunas plantas en operación utilizan reacciones en dos etapas, con la

eliminación del glicerol entre ellas, para aumentar el rendimiento final hasta porcentajes superiores al 95%. Temperaturas mayores y ratios superiores de alcohol/aceite pueden asimismo aumentar el rendimiento de la reacción. El tiempo de reacción oscila entre veinte minutos y una hora. En la Figura 48.4 se reproduce un diagrama de bloques de un proceso de transesterificación en discontinuo. Una variación del proceso discontinuo es la utilización de reactores continuos del tipo tanque

Figura 48.4. Proceso de transesterificación discontinuo.

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agitado, los llamados CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor). Este tipo de reactores puede ser variado en volumen para permitir mayores tiempos de residencia y lograr aumentar los resultados de la reacción. Así, tras la decantación de glicerol en el decantador la reacción en un segundo CSTR es mucho más rápida, con un rendimiento de hasta el 98% de producto de reacción. Un elemento esencial en el diseño de los reactores CSTR es asegurarse de que la mezcla se realiza convenientemente para que la composición en el reactor sea prácticamente constante. Esto tiene el efecto de aumentar la dispersión del glicerol en la fase éster. El resultado es que el tiempo requerido para la separación de fases se incrementa. Existen diversos procesos que utilizan la mezcla intensa para favorecer la reacción de esterificación. El reactor que se utiliza en este caso es de tipo tubular. La mezcla de reacción se mueve longitudinalmente por este tipo de reactores, con poca mezcla en la dirección axial. Este tipo de reactor de flujo pistón, Plug Flow Reactor (PFR), se comporta como si fueran pequeños reactores CSTR en serie. El resultado es un sistema en continuo que requiere tiempos de residencia menores (del orden de seis a diez minutos), con el consiguiente ahorro, al ser los reactores menores para la realización de la reacción. Este tipo de reactor puede operar a elevada temperatura y presión para aumentar el porcentaje de conversión. En la Figura 48.5 se presenta un diagrama de bloques de un proceso de transesterificación mediante reactores de flujo pistón. En este proceso se introducen los triglicéridos con el alcohol y el catalizador, y se somete a diferentes operaciones (se utilizan dos reactores) para dar lugar al éster y la glicerina. Dentro de la catálisis heterogénea los catalizadores básicos se desactivan fácilmente por la

presencia de ácidos grasos libres y de agua que favorece la formación de los mismos. Para tratar alimentaciones con cierto grado de acidez, se prefiere la esterificación de los ácidos grasos libres con superácidos que a su vez presenten una elevada velocidad de reacción de transesterificación, lo que implica que se requiera de dos reactores con una fase intermedia de eliminación de agua. De este modo, alimentaciones con un 30% en ácidos grasos libres se pueden esterificar con metanol, reduciendo la presencia de estos por debajo del 1%. Esta etapa previa de esterificación se puede llevar a cabo con alcoholes superiores o glicerina que resulta atractiva en la producción de biodiesel puesto que es un subproducto del proceso. En la síntesis del biodiesel se forman entre el aceite y el alcohol, normalmente metílico, ésteres en una proporción aproximada del 90% más un 10% de glicerina. La glicerina representa un subproducto muy valioso que de ser refinada a grado farmacológico puede llegar a cubrir buena parte de los costos operativos de una planta productora. La glicerina es eliminada del proceso cuando se procede al lavado con agua. Sin embargo, la glicerina puede encontrarse en el biodiesel como consecuencia de un proceso inapropiado, como puede ser una deficiente separación de la fase de glicerina o un insuficiente lavado con agua. La glicerina se emplea en la fabricación, conservación, ablandamiento y humectación de gran cantidad de productos, que pueden ser resinas alquídicas, celofán, tabaco, explosivos (nitroglicerina), fármacos y cosméticos, espumas de uretano, alimentos y bebidas, etc. Así, como coproducto de la producción de biodiesel se obtendría glicerina, de calidades farmacéutica e industrial. Estas glicerinas tienen un valor económico positivo y su comercialización

Figura 48.5. Proceso de obtención de biodiésel mediante reactores de flujo pistón.

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forma parte de la rentabilidad del biodiesel. Sin embargo, la creciente oferta de glicerina está provocando ya una disminución de sus precios de venta con la consiguiente problemática de merma de rentabilidad que ello supone para el sector del biodiesel. Al nivel actual de producción, las glicerinas tienen suficientes salidas comerciales actualmente, pero conseguir una producción de biodiesel de la magnitud del objetivo fijado para

2010 podría tener problemas en la saturación del mercado de glicerina, por lo que es especialmente relevante asegurar los canales de comercialización de este producto. En este sentido, la empresa canadiense ENERKEM ha desarrollado un sistema que, a partir de la gasificación de la glicerina, permite la obtención de metanol para sí cerrar el ciclo de materias primas en la obtención del biodiesel.

Microalgas e hidratos de carbono. Alcoholes Una de las especies de algas verdes más utilizadas en el desarrollo de biodiesel es la Botryococcus braunii. Esta especie produce alta cantidad de hidrocarburos como terpenos, que constituye alrededor del 30 al 40% de su peso en seco. El botriococeno es el hidrocarburo predominante en la Botryococcus braunii. Puede utilizarse para la producción de octanos, queroseno y diesel. Para la producción de biodiesel a partir de botriococeno, primero debe encontrarse una cepa adecuada de Botryococcus braunii que produzca un alto rendimiento del hidrocarburo. Al seleccionar este tipo de cepas, puede que se pierdan atributos como resistencia a enfermedades, desventajas competitivas, etc. Por esta razón se necesitan fotobiorreactores para el cultivo de este tipo de cepas.

Como ya se ha comentado, en EE UU se puso en marcha el programa Aquatic Species Program, que duró desde 1978 a 1996, cuyo objetivo fue investigar acerca de cuáles serían las especies de algas más apropiadas para la producción de biodiesel. Este programa llegó a la conclusión de que no hay una cepa o una especie de alga que sea la mejor en términos de producción de aceite para biodiesel, pero sí que las más prometedoras eran las diatomeas y en segundo lugar las algas verdes (ejemplo: Botryococcus). Las algas verdes tienden a producir almidón, en vez de lípidos. Tienen tasas de crecimiento muy altas a 30 ºC. La Botryococcus braunii es una alga colonial que crece principalmente en agua dulce y con frecuencia se la ve flotando sobre la superficie de

Figura 48.6. Fotografías al microscopio de especies del género Botryococcus.

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aguas estancadas debido a la gran cantidad de hidrocarburos localizados extracelularmente que se encuentran en la matriz de la colonia dentro de glóbulos. En la fase de reposo contiene hidrocarburos hasta en un 86% del peso en seco; cuando se extraen estos hidrocarburos, con hexano, tienen un color anaranjado debido a los carotenoides que los acompañan. Después de eliminados los pigmentos queda un líquido viscoso claro compuesto por isoprenoides inusuales: dos triterpenoides tetrametilados lineales isoméricos, botriococceno e isobotriococceno. En la fase verde de la alga existen otros siete hidrocarburos olefínicos lineales. En la fase parda, cuando la colonia es inoculada en un medio de cultivo fresco, el botriococceno desaparece dentro de la primera semana y aparecen los hidrocarburos característicos de la fase exponencial verde, pero solo alcanzan al 20% del peso en seco. El alcohol etílico o etanol se puede obtener a partir de la fermentación de los carbohidratos de la biomasa de las algas. Estos carbohidratos están combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa en diferentes proporciones. Las algas crecen gracias al proceso de fotosíntesis, en el que la luz del sol, el dióxido de carbono de la atmósfera, el agua y los nutrientes disueltos forman moléculas orgánicas complejas como el azúcar, los hidratos de carbono y la celulosa. El bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia orgánica de las algas. En este proceso, como se muestra en la Figura 48.7, se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser

deshidratado se puede utilizar como combustible. El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes resultantes de los motores tradicionales de combustión que emplean gasolina. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10%, E5 y E10, respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales. Un obstáculo importante es la legislación europea sobre la volatilidad de las gasolinas que fija la proporción de etanol en mezclas E5. Concentraciones más elevadas, autorizadas en Suecia y Estados Unidos, implica que se debe disponer de un vehículo flexible (FFV, Fuel Flexible Vehicle), con un depósito, motor y sistema de combustible único capaz de funcionar con gasolina y etanol, solos o mezclados en cualquier proporción. La otra alternativa para su uso es en forma de aditivo de la gasolina, como ETBE. Las especificaciones para la utilización de bioetanol se compendian en la Norma Europea de Gasolinas EN 228, en España se encuentra transpuesta la Directiva 2003/17/CE relativa a la calidad de las gasolinas y gasóleo, en el Real Decreto 61/2006 de las especificaciones y uso de biocarburantes. Los residuos de biomasa contienen mezclas complejas de carbohidratos, llamados celulosa, hemicelulosa y lignina. Para obtener los azúcares de la biomasa, esta ha de ser tratada con ácidos o enzimas que facilitan su obtención. La celulosa y hemicelulosa son hidrolizadas por enzimas o diluidas por ácidos para obtener sacarosa, que es en-

Figura 48.7. Esquema del proceso de obtención de etanol por fermentación de carbohidratos.


tonces fermentada. Los principales métodos para extraer estos azúcares son tres: • • •

la hidrólisis con ácidos concentrados, la hidrólisis con ácidos diluidos y la hidrólisis enzimática.

En la Figura 48.8 se muestran las diferencias entre los procesos de obtención de bioetanol, según sea su materia prima de origen. Las celulosas no pueden ser fermentadas directamente, es necesario convertirla en azúcares más sencillos para su conversión en alcohol. La hidrólisis es un proceso químico que divide la molécula de celulosa por la acción de la molécula de agua. Las complejas estructuras de la celulosa (celulosa, hemicelulosa y lignina) son divididas en diferentes procesos para conseguir una solución azucarada, y eliminar productos de descomposición de los azúcares que pueden inhibir o, al menos, dificultar el proceso de fermentación. Principalmente se realizan procesos de hidrólisis de ácidos concentrados y bajas temperaturas, de ácidos diluidos y altas temperaturas y enzimáticos. •

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Hidrólisis con ácidos concentrados: en este proceso se añade entre 70-77% de ácido sulfúrico a la biomasa, que ha sido secada previamente hasta obtener una humedad menor del 10%. La proporción de ácido es de 1:25 por cada parte de biomasa y se mantiene a una temperatura controlada de 50 ºC. Entonces se añade agua, para diluir

Figura 48.8. Diferencias en los procesos de obtención de bioetanol.

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el ácido a un 20-30% de la mezcla, aumentando su temperatura hasta los 100 ºC. El gel producido en este proceso es prensado para obtener la mezcla de ácido y azúcar, que finalmente son separados. Este es un proceso del que se obtienen rendimientos muy elevados pero a un coste igualmente muy alto, por lo que industrialmente no se utiliza. Hidrólisis con ácidos diluidos: es uno de los procesos de hidrólisis más antiguos, simples y eficientes para la producción del alcohol. El primer paso es mezclar una proporción de 0,7% de ácido sulfúrico con la hemicelulosa presente en la biomasa, para que se hidrolice a 190 ºC. La segunda parte consiste en optimizar el rendimiento de la reacción con la parte de la celulosa más resistente, para ello se usa un 0,4% de ácido sulfúrico a 215 ºC. Finalmente los líquidos hidrolizados son neutralizados y recuperados, normalmente mediante percolación. Hidrólisis enzimática: consiste en “romper” (hidrolizar) la celulosa por la adición de determinadas enzimas. La celulosa es degradada por las celulasas a azúcares, que pueden ser fermentados por levaduras o bacterias para producir etanol. En síntesis, el proceso consiste en descomponer la celulosa y la hemicelulosa del residuo en azúcares sencillos y transformarlos en eta-

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nol por fermentación. En primer lugar, se lleva a cabo un pretratamiento del residuo cuyo objetivo es alcanzar los mejores resultados en las etapas siguientes (hidrólisis y fermentación). Desde el punto de vista económico, esta etapa es crítica, puesto que gran parte del coste total del proceso estaría en esta primera etapa. Como resultado del pretratamiento se obtiene una disolución de azúcares provenientes de la ruptura de la hemicelulosa y un residuo sólido (constituido principalmente por la celulosa del residuo original). La hidrólisis enzimática presenta ventajas frente a la hidrólisis química, como menores costes de equipamiento (debido a que se realiza a presión atmosférica y a temperatura próxima a la ambiental), mayores rendimientos y no necesita utilizar agentes químicos.

La última etapa del proceso, como reproduce la fórmula siguiente, consiste en la fermentación por levaduras de la glucosa liberada a partir de la celulosa, así como la de los azúcares procedentes de la hemicelulosa que se han liberado durante los

pretratamientos anteriores. La levadura contiene una enzima llamada invertasa, que actúa como catalizador ayudando a convertir los azúcares en glucosa y fructosa (ambos C6H12O6). C6H12O6 o 2 C2H5OH + H2O La fructosa y la glucosa reaccionan con otra enzima, llamada zimasa, que también está presente en la levadura para producir sacarosa: C6H12O6 + C6H12O6 o C12H22O11 + H2O La destilación es la operación de separar, mediante calor, los diferentes componentes líquidos de una mezcla. Una forma de destilación, conocida desde la antigüedad, es la obtención de alcohol aplicando calor a una mezcla fermentada. El alcohol producido por fermentación contiene una parte significativa de agua, que debe eliminarse para su uso como combustible. Para ello se utiliza un proceso de destilación, aprovechando que el etanol tiene un punto de ebullición menor (78,3 ºC) que el agua (100 ºC), la mezcla se calienta hasta que el alcohol se evapore y se pueda separar por condensación del mismo.

Procesos de obtención de carburantes a partir de microalgas Por término medio la biomasa de las microalgas está constituida por 20-30% de lípidos, 40-50% de proteínas y la parte restante subdividida entre los carbohidratos, que en algunas especies pueden llegar hasta el 55% de la biomasa, y otros compuestos de importancia menor. Constituye el producto más eficiente de producción de biomasa en la naturaleza, siendo reconocidas como un excelente recurso medioambiental y biotecnológico. Por tanto resulta una de las alternativas más atractivas entre los microorganismos, por varias razones: •

En contraste con la mayoría de las bacterias y el total de los hongos y levaduras, las microalgas, por su capacidad fotosintética, pueden alcanzar grandes rendimientos solamente con energía solar adecuada y una fuente de carbono como el CO2 o bicarbonatos, además de nutrientes de fácil disponibilidad.

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Algunas especies están también en condiciones de cultivarse sobre sustrato orgánico, en presencia o ausencia de luz. La capacidad de estos microorganismos de poder crecer en ambientes diferentes y adversos a muchos otros organismos vegetales, se debe a la variedad excepcional de lípidos y de otros compuestos inusuales, que están en condiciones de sintetizar. Entre los distintos grupos de organismos fotosintéticos, las microalgas resultan ser uno de los más eficientes en utilizar la energía solar. Por lo general, las plantas superiores presentan una eficiencia fotosintética alrededor del 2%, pero la mayoría, menos. Las microalgas, gracias a su simplicidad estructural, tienen una eficacia fotosintética claramente superior y según las condiciones ambientales y de cultivo, pueden alcan-


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zar hasta 4-8%. Así, por ejemplo, se tienen estimaciones de productividades tan altas como 60-80 toneladas de peso seco por hectárea y año, en contraste con cultivos convencionales que producen del orden de 10-30 toneladas/año. Esta característica las hace extremadamente productivas. Las microalgas son convertidores mucho más eficientes de la energía solar que cualquier planta terrestre conocida, porque crecen en la suspensión donde tienen el acceso ilimitado al agua y acceso más eficiente al CO2 y a los nutrientes. En general, los cultivos en gran escala son más simples y baratos. De importancia particular es que las microalgas pueden cultivarse todo el año, y cosecharse continuamente. Pueden crecer en tierras marginales, en las regiones áridas del mundo, en ambientes salinos e hipersalinos de baja calidad o en aguas residuales cargadas de nutrientes, que no son buenas para la irrigación agrícola o el consumo para los seres humanos o los animales, y los cultivos de esa manera no compiten con la agricultura tradicional por cantidad o calidad de suelos. Los cultivos algales también tienen un consumo de agua, más bajo que la requerida por los cultivos tradicionales. Si uno considera que el agua usada se puede utilizar luego para la irrigación, los cultivos algales son aún más ventajosos. Las microalgas crecen al igual que las bacterias, es decir, de manera exponencial. Es un crecimiento muy rápido, ningún vegetal terrestre consigue un crecimiento de ese tipo. Las plantas necesitan un tiempo más prolongado. Por ser organismos unicelulares, su biomasa entera posee los productos de interés, a diferencia de las plantas superiores en las que los subproductos recuperables se encuentran en sitios u órganos específicos, lo que dificulta su extracción. Debido a esto, la inducción fisiológica para la producción de compuestos de interés comercial, como proteínas, lípidos, glicerol, pigmentos, enzimas y biopolímeros es fácilmente realizable.

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CULTIVOS. SISTEMAS Hay dos diseños básicos para la producción a gran escala de estos microorganismos: sistemas abiertos tipo carrusel, en los que el cultivo está expuesto a la atmósfera, y los sistemas cerrados denominados fotobiorreactores. Los sistemas abiertos tipo carrusel, como el que se muestra en la Figura 48.9, pueden construirse de diferentes materiales (hormigón, plásticos, cerámicas) y están constituidos por canales poco profundos con un nivel de agua que no supera los 15-20 cm, en forma de circuito cerrado. Las piletas están divididas en dos o más pasillos por tabiques de hormigón.

Figura 48.9. Carrusel de circulación del medio de cultivo.

El medio de cultivo es impulsado mediante paletas rotatorias (Figura 48.10), que permiten alcanzar densidades celulares de hasta 0,7 g de células (base seca) por litro. Generalmente ocupan grandes áreas de terreno (500- 5.000 m2), como puede observarse en la Figura 48.11.

Figura 48.10. Tanque. Paletas rotatorias para la circulación del agua.

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Si bien los carruseles cuestan menos de construir y operar, la baja densidad celular origina varios inconvenientes, incluyendo baja productividad, fácil contaminación, costosa recuperación del producto de medios diluidos y dificultad para el control de la temperatura. Estos inconvenientes estimularon el desarrollo de fotobiorreactores construidos con materiales transparentes como vidrio y policarbonato, entre otros. Y a diferencia de los carruseles abiertos, los fotobiorreatores permiten esencialmente cultivos unialgales por periodos prolongados.

1999; Contreras-Flores 2003; Spolaore et al. 2006). Para la recuperación de la biomasa algal del cultivo se han planteado diferentes métodos: centrifugación, floculación y sedimentación, filtración, microfiltración y ultrafiltración. La tecnología elegida depende de la especie con la cual se está trabajando. La Figura 48.12 muestra la fotografía de un birreactor. Aunque mucho más eficiente que los sistemas abiertos, siguen existiendo dos problemas esenciales: la incidencia de la radiación solar solo se lleva a cabo por la superficie y la concentración del sustrato es muy baja (1 g/l).

Figura 48.11. Proyecto de explotación intensiva de microalgas en EE UU.

Esto tiene ventajas como: • • • •

facilidad para cosechar la biomasa, mantenimiento del cultivo sin contaminación, mejor control de las condiciones de cultivo y menor inversión de capital en el fotobiorreactor.

Este último factor es un elemento importante en el costo de producción de productos derivados de microalgas, además de que los fotobiorreactores proveen mucho más rendimiento de aceite por hectárea comparado con los carruseles. Ambos métodos de producción son técnicamente factibles; y las instalaciones para la producción usando unidades de fotobiorreactores y carruseles de dimensiones similares han sido efectivamente usadas en operaciones comerciales. Existe un parámetro importante a resaltar que consiste en la forma en como se elimina el oxígeno generado en el fotorreactor, ya que su exceso es letal para el cultivo. También para los fotobiorreactores hay una variada gama de modelos que en el curso de los años han sido desarrollados y testados (Borowitzka,

Figura 48.12. Fotografía de biorreactor experimental.

RECOLECCIÓN Y OBTENCIÓN DEL ACEITE Las algas, básicamente, se recolectan de su medio de cultivo a través de algún proceso de separación adecuado y luego se extrae el aceite. Existen tres métodos bien conocidos de extracción de aceites de algas: 1. Expeller/press: las algas después de ser secadas mantienen su contenido de aceite, entonces son comprimidas con una prensa de aceite. A veces se utiliza una combinación de prensa y disolventes de extracción. 2. Método del disolvente de hexano: este es uno de los disolventes de extracción preferidos ya que no es muy caro. Una vez que el aceite es obtenido con una prensa se utiliza


el ciclohexano para extraer el contenido remanente de la alga. Luego por destilación se separa el ciclohexano del aceite. 3. Extracción por fluido supercrítico: es un método capaz de extraer el 100% del aceite, pero necesita un alto equipamiento. El CO2 es licuado hasta el punto de tener las propiedades de un líquido y un gas, entonces este fluido licuado actúa como un disolvente de extracción para el aceite algal. Existen otros métodos de extracción mucho menos utilizados, como la extracción enzimática, el choque osmótico y la extracción a través de ultrasonidos. El proceso de producción de biodiesel se basa en la reacción de transesterificación del aceite. Los aceites están compuestos principalmente por triglicéridos, las cuales se componen de tres cadenas de ácidos grasos unidas a una molécula de glicerol. La transesterificación consiste en reemplazar el glicerol por un alcohol simple, como el metanol o el etanol, de forma que se produzcan ésteres metílicos o etílicos de ácidos grasos. Este proceso permite disminuir la viscosidad del aceite, la cual es principalmente ocasionada por la presencia de glicerina en la molécula. La alta viscosidad del aceite impide su uso directo en motores diesel, desventaja que se supera mediante este proceso. Para lograr la reacción se requieren temperaturas entre 40 y 60 ºC, así como la presencia de un catalizador, que puede ser la soda o potasa cáustica.

Figura 48.13. Sistema de transporte y homogenización de migroalgas recién recolectadas.

IMPORTANCIA DEL CO2 Parece el sueño de cualquier científico: conseguir un combustible de características similares al

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petróleo, que no se agote, utilizable en los vehículos actuales y que, además, no solo no produzca más CO2 sino que ayude a reducir las emisiones de este gas culpable del calentamiento global del planeta. Según estudios, el proceso se inicia en el mar con la recogida de fitoplancton en unas probetas. No son necesarias grandes cantidades ya que estos organismos unicelulares, de división asexuada y un tamaño medio inferior a veinte micras, tienen una alta tasa de reproducción, entre dos y tres veces al día. Por tanto, se instalan en unos fotobiorreactores donde las microalgas se reproducen hasta obtener una alta concentración, superior a 140 millones de células por mililitro. Es entonces cuando se extrae la pasta de algas, como muestra la Figura 48.13, de alto poder energético y de características similares a las del petróleo, aunque, en lugar de tener el típico color negro, este producto es verde oscuro debido a la clorofila y a que no tiene azufre en su composición. Esta es otra de las ventajas del nuevo producto: que no genera emanaciones de dióxido de azufre, como ocurre con el petróleo. Lo que más destaca de estos estudios es que el proceso de reproducción de las algas necesita grandes cantidades de CO2. A diferencia de lo que comúnmente se piensa, el gran pulmón de la tierra no es el Amazonas, pues de día produce oxígeno y toma CO2, pero de noche realiza el proceso contrario, sino que son los océanos; y la ventaja, de un próximo futuro, será que el biopetróleo se producirá aplicando al fitoplancton luz solar y dióxido de carbono. Entre las algas que se utilizan para este fin figura una perteneciente al grupo de las cocolitoforales, la Discosphaera tubifera; este organismo, junto con el resto de especies de su grupo, es el que más CO2 fija del planeta. En una torre de 1 m2 de superficie se puede generar en un solo día el producto energético equivalente al que generan 1.000 m2 cultivados con girasoles en un año. Cada torre de 3 m3 de agua puede fijar 150 kg de CO2 por hora. La fijación de CO2 por cultivos de algas fotoautotróficas tiene el potencial de disminuir el total de emisiones a la atmósfera, lo que ayudaría a aliviar la tendencia actual de acumulación de este gas y el consiguiente efecto invernadero que produce.

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Figura 48.14. Esquema de transformación de energía por las microalgas.

En sistemas intensivos de cultivo de microalgas se puede considerar el uso de gases de chimenea de las plantas generadoras de energía y/o grandes industrias, para así secuestrar el CO2 emitido. Para esto se deben identificar con precisión las especies y cepas con mayor tolerancia a la concentración de CO2. Aunque la concentración de CO2 varía en las diferentes emisiones, se asume un 15 a 20% en volumen. Especies como Chlorococcum littorale pueden crecer incluso en concentraciones de CO2 tan elevadas como el 60%; otra especie, la Euglena gracilis puede tolerar hasta un 45% de concentración de CO2. Otro aspecto a tener en cuenta para poder emplear los gases de chimenea de las plantas generadoras o las industrias es que, por regla general, abandonan la chimenea a muy altas temperaturas (hasta 120 ºC o más), por lo que los microorganismos a escoger para este uso deben ser termofílicos y poder tolerar elevadas temperaturas en su medio de crecimiento. Esto implica una ventaja adicional en cuanto a la reducción de costes para las industrias ya que no es necesario enfriar los gases de chimenea; en contrapartida, al emplearse sistemas abiertos de cultivo se pueden registrar elevadas tasas de evaporación de agua. La Figura 48.14 re-

produce el esquema básico del ciclo energético de las microalgas. También se pueden emplear especies de microalgas marinas, de esta manera el medio de cultivo es la misma agua marina con la disminución de costes de funcionamiento al no tener que emplearse agua dulce depurada o tratada. Entre las especies marinas más estudiadas existe la Tetraselmis sp., Synechococcus sp., Chlorococcum littorale, Clamydomonas sp., Nannochloropsis salina y Phaeodactylum tricornutum. Un proyecto del puerto de Venecia pretende utilizar las algas que crecen en el agua de esta ciudad para producir energía eléctrica, que podría llegar a representar hasta el 50% de la que consume el centro histórico de la ciudad. Se trata de un concepto patentado por la compañía norteamericana Solena Group y que en Italia está siendo desarrollado por la sociedad Enalg (que posee el 49% del proyecto) y por el puerto de Venecia (51%). El objetivo es convertir gran exceso y proliferación de algas en el mar Adriático, en un recurso natural rentable. La central, será construida en Porto Marghera, una zona industrial a unos 20 kilómetros de Venecia, generará 40 MW de electricidad para abastecer de electricidad a los barcos del puerto mientras estos se encuentran amarrados.


Las 120.000 toneladas anuales de microalgas, que servirán como materia prima, serán cultivadas y posteriormente secadas, se introducirán en una centrifugadora y se les someterá a elevada temperatura, lo que provocará una disociación de las moléculas de la biomasa, de forma que se obtenga el gas necesario para accionar una turbina. Los residuos gaseosos de la combustión se reutilizarán para el cultivo de algas.

PRODUCCIÓN BIOLÓGICA DE HIDRÓGENO La producción de una fuente de energía limpia y la utilización de materiales de desecho hacen del biohidrógeno una novedosa y prometedora alternativa a las crecientes demandas energéticas. Las microalgas son una excelente y abundante fuente de biomasa, por ello se han incluido en este apartado. Los principales métodos para la producción de biohidrógeno son: •

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Biofotólisis directa. Este es un proceso de producción de hidrógeno y oxígeno fotosintéticamente a partir de agua y luz solar. Biofotólisis indirecta. Se lleva a cabo por cianobacterias y algas verde-azules. A partir de un sustrato (carbohidrato) en condiciones anaerobias se produce H2 y CO2. Fotofermentación. En este proceso se utilizan bacterias púrpuras no sulfurosas que producen hidrógeno a partir de sustratos de tipo carbohidrato o residuos orgánicos. Fermentación oscura. Es la producción de H2 por medio de bacterias anaerobias que crecen en la oscuridad y usan sustratos ri-

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cos en carbohidratos. Esta variedad es, posiblemente, la de mayor futuro. La producción de hidrógeno por biofotólisis, también conocida como fotodisociación biológica del agua, se refiere a la conversión de agua y energía solar (utilizada) a hidrógeno y oxígeno usando microorganismos, comúnmente microalgas y/o cianobacterias. Si bien la producción biológica (o por microorganismos) de hidrógeno ha sido un campo de activa investigación tanto aplicada como básica desde hace, al menos, dos décadas, su producción industrial se realiza por hidrólisis eléctrica de agua:

o por reacciones químicas desde el gas metano (que se obtiene como combustible fósil, aunque su producción por microorganismos es muy común):

Estas dos estequiometrías (la segunda es solamente global, pues, en realidad, se trata de dos reacciones secuenciales) corresponden a procesos existentes, y muy bien caracterizados y conocidos, de modo que se pueden obtener mayores detalles en el ámbito comercial. La producción biofotolítica, que se halla esquematizada en la Figura 48.15, en cambio, dista mucho aún de ser comercial, pues requiere de un significativo avance científico (cómo ocurre el proceso) y tecnológico (cómo intervenir en la maquinaria bioquímica). Durante esta última década se han realizado significativos avances en este campo, tanto en la

Figura 48.15. Producción fotosintética de H2 a partir de algas.

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caracterización bioquímica de los microorganismos que producen hidrógeno bajo condiciones adecuadas (anaerobiosis y separación temporal en la producción de oxígeno e hidrógeno), como en el manejo fisiológico de los cultivos. Además, se han propuesto diseños de fotobiorreactores (reactores en que se desarrollan reacciones biológicas controladas, que son cerrados pero que permiten la interacción del material biológico con radiación luminosa) más eficientes para la obtención de biomasa con rendimientos que bordean el 10% en términos de la energía radiante recibida versus la expresada como hidrógeno. La producción de hidrógeno por microalgas fotoautótrofas (se producen a sí mismas a partir de luz y CO2) se basa en la utilización de la energía solar para la fotodisociación del agua y la consecuente transferencia de electrones en una cadena transportadora de ellos ubicada en estructuras como los tilacoides, tanto para cianobacterias como para microalgas. En la membrana de estas estructuras está la maquinaria fotosintética. Esta “maquinaria” consiste en una serie de proteínas y compuestos que, en último término, transportan los electrones desde el agua hacia moléculas como NADH y el H2. En condiciones aerobias (con oxígeno disuelto en el medio de cultivo), parte del flujo de electrones es utilizado para generar “poder reductor” (expresado en la molécula NADH) que es utilizado por el microorganismo para fijar CO2, con la consecuente producción de carbohidratos y biomasa. Simultáneamente, este transporte de electrones permite el flujo, a través de la membrana tilacoidal, de los protones que posteriormente son utilizados por una ATP-asa, generando ATP que será utilizado para posteriores transfosforilaciones.

La producción de hidrógeno gaseoso a partir del agua mediante este proceso requiere manipular la secuencia de reacciones bioquímicas, interactuando con la célula completa (pero sin modificarla en principio), en alguna modalidad que obligue a la aparición de gas hidrógeno que, de ser dejado al sistema natural, no se produciría en absoluto hacia el medio exterior a la célula. Se han popularizado dos alternativas tecnológicas, a un nivel solamente de laboratorio y de algunos ensayos piloto. En el primer proceso, la producción de oxígeno fotosintético, con la consecuente acumulación de carbohidratos, está separada de la producción de gas hidrógeno, tanto temporal como espacialmente. Este es un proceso de dos estados: •

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el CO2 es primero fijado a sustratos ricos en H2-endógeno durante fotosíntesis oxigénica normal (estado 1), seguido por generación de hidrógeno molecular cuando las microalgas son incubadas en condiciones anaerobias (estado 2).

Este enfoque requiere, por ende, de un sistema de cultivo y de otro sistema aparte para la generación de hidrógeno. La segunda aproximación está relacionada con la producción de oxígeno fotosintético y gas hidrógeno simultáneamente. En este caso los electrones son liberados de la oxidación del agua y son conducidos a la hidrogenasa sin estar mediada la fijación de CO2 ni el almacenamiento de energía como metabolitos celulares. Este mecanismo en el proceso de generación de H2 ha resultado superior al proceso de dos estados, ya que se han obtenido eficiencias de conversión de energía (luminosa a gas hidrógeno) de un 5 a un 10% (del orden de magnitud de la eficiencia de células fotovoltaicas).

Costes aproximados de fabricación La producción total de biodiesel en España se estimó para el año 2008 en 520.000 toneladas. Asumiendo que esta producción se empleara para cubrir la proporción de biodiesel que debieran llevar los gasóleos según la Directiva Europea, para este año, resultaba que un 71,5% del biodiesel quedaba sin cubrir. Este porcentaje equivalía a unas

1.300.000 toneladas, a pesar de que la capacidad productiva total era de más de 2.000.000 toneladas. Para diseñar un proyecto que pretendiese suplir una cuota de mercado del 10% de la posible demanda de biodiesel no satisfecha en España, se necesitaría una planta de producción de 130.000 toneladas de biodiesel al año.


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Figura 48.16. Diagrama esquemático de un fotobiorreactor en operación.

Para la producción de microalgas, la empresa Bioking Fuels fabrica y suministra plantas tipo por módulos capaces de procesar 100 toneladas/día de microalgas recolectadas, es decir, 33.000 toneladas/año de biomasa seca de algas. Las microalgas se producen en biorreactores y cada módulo ocupa un área aproximada de 4 hectáreas. El principio de funcionamiento se halla esquematizado en la Figura 48.16 Para un proyecto de producción de 133.650 t/ año de biodiesel se necesitarían nueve módulos: 33.000 toneladas/año x 9 = 297.000 toneladas/año de biomasa de algas seca. Considerando que el 45% de esta producción se convierte en biodiesel y el 55% en residuo de torta de algas, los parámetros propuestos por Bioking Fuels para esta planta para la producción de 133.650 toneladas/año de biodiesel son: •

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Suministro de agua para el proceso 4 m3/ m2. Una gran parte del agua se pierde debido a la evaporación, alguna es consumida por las algas y otra parte es perdida en la cosecha de las algas. Suministro de CO2: 2,2 t/t de alga. Se puede emplear CO2 de plantas térmicas de ciclo combinado, por ejemplo una central de 500 MW produce 200 toneladas de CO2/h. Eficiencia de producción de algas: 405 litros de biodiesel por tonelada de alga seca producida. Dependiendo de la especie de las algas, el crecimiento y la condición del alga seleccionada, esta puede producir entre 40% y

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60% de lípidos por peso. Se asume para este proyecto un 45% de lípidos en peso. 2.500 tubos con un diámetro de 900 mm x 12 m de longitud por módulo. Área necesaria para la instalación 200 x 200 m módulo base (4 hectáreas por módulo). El diseño incluye un scrubber y un filtro secador depurador para colectar el CO2 o bien CO2 comprimido de botellas presurizadas, inyectado dentro de una cámara de disolución antes de los fotobiorreactores. La electricidad precisa en el proceso es 0,5-1 kWh por tubo. El costo de instalación incluyendo el suministro de los equipos mencionados anteriormente se estima en 10 M€ por módulo (Fuente: Bioking fuel). Se requieren nueve módulos para alcanzar 133.650 t/año, por lo tanto la inversión en suministro e instalación de equipos asciende a 90 M€.

La Figura 48.17 simboliza la secuencia del fotobiorreactor proyectado. Diversos subproductos de la extracción de aceite de las algas pueden comercializarse debido a su gran contenido de proteínas y carbohidratos: •

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El residuo del alga (torta de alga) puede comercializarse por un mínimo de 1 €/kg y un máximo de 3 €/kg. Se toma un valor medio de 2 €/Kg. Los ingresos producidos por evitar las emisiones de CO2 podrían llegar a 7,4 €/t de CO2 utilizado (depende del precio del mer-

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Figura 48.17. Esquema de procesos para la obtención de aceite de microalgas.

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cado de emisiones, o del precio acordado con las plantas de ciclo combinado por tratar su CO2). Se supone el precio del biodiesel estimado en 0,82236 €/l.

En la Tabla 48.2 se detallan los costos de producción del proyecto. Tabla 48.2. Costes de producción. CONCEPTO

VALOR (€/año)

COSTES DE

Materias primas

3.003.000

FABRICACIÓN

MOD

647,391

MOI

149,217

231.000.000

Servicios generales

11.456.883

Tuberías y válvulas

20.000.000

Suministros

3.017.162

Instrumentos de medición y control

25.000.000

Conservación

30.171.620

6.000.000

Laboratorio

129,478

Instalación eléctrica

18.000.000

Directivos y técnicos

194,956

Edificios

50.000.000

Amortización

6.769.222

Instalaciones auxiliares

40.000.000

Impuestos

3.017.162

390.000.000

Seguros

6.034.325

79.000.000

TOTAL

64.635.417

La Tabla 48.1 detalla, a grandes cifras, el capital inmovilizado que requeriría el proyecto. Tabla 48.1. Capital inmovilizado. CONCEPTO Maquinaria y aparatos instalados

Aislamientos caloríficos

CAPITAL EN MAQUINARIA E INSTALACIONES Proyecto y dirección

Valor (€)

469.000.000

COSTES DE

Gerencia

1.987.899

Contrata de Obras

33.000.000

GESTIÓN

Gastos financieros

9.755.905

Imprevistos

95.000.000

TOTAL

11.743.804

CAPITAL DIRECTO

CAPITAL INMOVILIZADO

597.000.000

COSTES DE PRODUCCIÓN

76.379.221


En la Tabla 48.3 se hace un análisis de rentabilidad del proyecto. Tabla 48.3. Análisis de rentabilidad. Análisis de rentabilidad Beneficio bruto

304.286.359 (€/año)

Beneficio bruto % anual Beneficio neto Beneficio neto % anual

47 % 197.786.133 (€/año) 30 %

El proyecto de obtención de aceite para biocombustibles a partir de microalgas no depende del precio del mercado o de la disponibilidad de la biomasa ya que es autosuficiente, como es el caso de las plantas que transforman productos agrícolas, se cuenta con una planta de biomasa. El área necesaria es de 36 hectárea para la planta de biomasa a partir de microalgas, y para la plan-

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ta de transformación de aceite en biodiesel se requieren, aproximadamente, 14 hectáreas mientras que para producir las mismas 133.650 toneladas de biodiesel al año partiendo de soja (sin contar con la planta de biomasa), se requerirían instalaciones que ocuparían aproximadamente unas 20 hectáreas, teniendo en cuenta el almacenamiento de la materia prima comprada. Ahora bien, si se cuantifica además la planta de producción de la biomasa a partir de soja se requerirían aproximadamente 261.610 hectáreas de terreno cultivable. En un clima como el de España, y para una extensión de 50 hectáreas (5.000 toneladas/año), la inversión para la producción de aceite a partir de microalgas se reparte en un 60% en los sistemas de cultivos y un 40% para los sistemas de conversión. La Figura 48.18 pretende resumir y sintetizar un esquema de una planta de producción de biodiesel.

Figura 48.18. Esquema planta de producción de biocarburante a partir de microalgas.

Biotecnología y sistemas avanzados de ahorro de energía

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EN UNA ECONOMÍA INDUSTRIALIZADA LA BIOTECNOLOGÍA ES UN SECTOR QUE PUEDEN LLEGAR A REPRESENTAR, EN UN FUTURO, HASTA EL 40% DEL PIB. • • •

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Una de las principales diferencias entre la biotecnología convencional y la moderna estriba en el empleo de la genética que permite alterar y mejorar ciertas características de los organismos. La biotecnología permite identificar, reproducir y optimizar los principios activos que produce el cuerpo humano para combatir enfermedades. El ácido poliláctico (PLA) es un biopoliéster alifático, que se obtiene a partir de la fermentación de azúcares de maíz, remolacha, caña de azúcar, etc. Es uno de los polímeros con mayor potencial en la producción a gran escala de materiales para envases basados en fuentes renovables en sustitución de plásticos. La biotecnología se emplea para la fabricación de vacunas más efectivas. En la terapia celular y genética la biotecnología permite reproducir tejidos humanos a partir de un patrón dañado. La biotecnología es fundamental para el diagnóstico rápido, en técnicas basadas en la detección de moléculas o genes defectuosos de cada individuo. En la industria farmacéutica, y química en general, se trabaja en la sustitución de procesos puramente químicos por otros biológicos. La adición de ciertas enzimas logra grandes cambios. La selección de bacterias permite la optimización en la producción del biogás procedente de los procesos anaerobios. Uno de los campos más prometedores es la obtención de biohidrógeno. En España, la mayoría de las bioempresas pertenecen al sector de la agricultura (34%), la salud humana y animal (30%), la bioalimentación y los bioprocesos industriales. Se espera un gran crecimiento en los próximos años. La bioproducción consiste en la selección o modificación de microorganismos o plantas de cara a la producción de materiales y combustibles. En el sector energético, la biotecnología permitirá grandes avances en el campo ambiental. Por ejemplo, el desarrollo de la biodesulfuración en el manejo de todo tipo de combustibles (se ha avanzado mucho en la desulfuración de los carbones antes de su empleo). En el sector ambiental, la biorremediación o la fitorremediación permiten ahorrar gran cantidad de energía y reducir el impacto ambiental de la descontaminación de suelos. La biofiltración se revela como un gran sustituto de los sistemas convencionales para el tratamiento de gases contaminados.

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La biotecnología con la bioproducción es la gran esperanza del sector de los carburantes. Para ello también hace falta una racionalización de la PAC (Política Agraria Común). La biotecnología ha supuesto un gran avance en las técnicas convencionales de obtención de materias primas, en particular de metales. La biolixiviación permite la recuperación de metales que hace pocos años se daban por antirrentables. En el campo de la minería, gracias a la bacteria Thiobacillus ferrooxidans, el níquel es lixiviado a partir de sulfuros y de menas de hierro entre dos y diecisiete veces más rápido que el proceso netamente químico. Un par de ejemplos notables. Un hongo que permite la recuperación de metales nobles y pesados. Un organismo a medio camino entre un alga y una bacteria que permite producir energía sin la intervención de la fotosíntesis.

Introducción La Biotecnología puede definirse de muchas formas, pero quizás la más exacta y útil es la realizada por la OCDE: conjunto de técnicas que modifican organismos vivos (o parte de los mismos), transforman sustancias de origen orgánico o utilizan procesos biológicos para producir un nuevo conocimiento o desarrollar productos y servicios. Esta definición incluye pues a técnicas de producción ya utilizadas desde hace miles de años por la humanidad, como la utilización de levaduras para la fermentación de pan o de bebidas alcohólicas. La principal diferencia entre esta actividad biotecnológica primitiva y la biotecnología moderna radica en que nuestros antepasados utilizaban la observación para identificar qué variedades de levaduras eran más productivas o mejoraban la calidad del producto final. A raíz del descubrimiento de la estructura del ADN en la década de los 50 por Watson y Crick, comienza a desarrollarse la tecnología que permite identificar los genes responsables de las características de los diferentes organismos vivos y de sus procesos celulares, permitiendo así seleccionar e incluso diseñar la levadura, ser vivo o molécula más indicada en función de la característica o proceso deseado. Estos productos y procesos pueden aplicarse en el campo de la salud, la agroalimentación o en la sustitución de productos químicos por organismos vivos en la industria. En una economía industrializada, estos sectores pueden llegar a representar el 40% del PIB. En el campo de la salud (humana y animal), la biotecnología se utiliza actualmente en cuatro grandes áreas: la identificación de nue-

vos medicamentos, el diseño de nuevas vacunas, la utilización de terapias de origen celular/génico y nuevas herramientas de diagnóstico. •

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Medicinas: los seres vivos producen naturalmente miles de moléculas para combatir las infecciones y enfermedades. La biotecnología se utiliza para identificar estas moléculas, las enfermedades que combaten y fabricarlas a escala industrial. Este tipo de estrategia ya se emplea para luchar contra la anemia, la fibrosis quística o la deficiencia de hormona de crecimiento, entre otras. Vacunas: las vacunas tradicionales consisten en la inyección de pequeñas cantidades de virus inertes para que el cuerpo humano genere defensas que puedan combatir una futura infección. La biotecnología se utiliza para diseñar nuevas vacunas utilizando únicamente las moléculas que el cuerpo emplea para reconocer al virus, limitando así los riesgos de infecciones accidentales durante la vacunación. Esta tecnología se emplea ya en la fabricación de vacunas como la de la hepatitis B o la gripe. Terapia celular y génica: este tipo de tecnología consiste en el tratamiento de enfermedades de origen genético y tejidos dañados mediante la inserción de células sanas que suplan las carencias y funcionalidades que no realizan las células defectuosas o dañadas. Esta técnica está siendo desarrollada para regenerar la piel de quemados, tejido


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cardiaco tras un infarto de corazón o solucionar enfermedades genéticas como la diabetes. Diagnóstico: la biotecnología ha identificado los genes y moléculas implicados en el desarrollo de enfermedades, lo que ha permitido el desarrollo de kits y técnicas de diagnóstico más rápidas y seguras, basadas en la detección de moléculas o genes defectuosos en cada individuo, desde pruebas de embarazo, fertilidad, paternidad, identificación de criminales, hasta enfermedades genéticas como la hipercolesterolemia, la diabetes o el cáncer.

En el campo de la agroalimentación la biotecnología se utiliza en la identificación de ingredientes naturales y beneficiosos para la salud, la mejora y control de los procesos de fabricación, la optimización de materias primas o la mejora de la higiene de los productos. •

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Mejora de materias primas: la biotecnología permite identificar aquellas variedades vegetales y linajes animales con mayor productividad, más resistentes a enfermedades, o con mejores propiedades organolépticas. Ingredientes naturales: la biotecnología permite identificar los ingredientes alimentarios con beneficios para la salud o con utilidad como aditivos naturales. Ácidos grasos reguladores del colesterol, polvo de oliva como antioxidante, péptidos cárnicos con propiedades reductoras de la tensión arterial, etc. Procesos de fabricación: la selección de una determinada mezcla de levaduras y flora bacteriana permite regular la maduración y las propiedades organolépticas de los productos obtenidos por fermentación láctica: quesos, yogures, embutidos y encurtidos. Higiene y seguridad alimentaria: la tecnología clásica de análisis de patógenos en alimentos tarda varios días en proporcionar los resultados de los análisis. La biotecnología permite realizar estos mismos análisis en horas, e incluso existen kits de diagnóstico que pueden ser utilizados in situ en la fábrica. Estas mismas técnicas permiten al fabricante de transformados alimentarios

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identificar una posible presencia de OGM y comprobar el origen de las especies de las materias primas empleadas. En el campo del medio ambiente, la biotecnología se utiliza para la sustitución de procesos químicos por otros biológicos, remediación de suelos contaminados, generación de biogás a partir de sustratos orgánicos o para mejorar los rendimientos de cultivos de uso energético. •

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Sustitución de procesos químicos: actualmente se trabaja en la sustitución de procesos químicos por biológicos en la industria farmacéutica (fabricación de vitaminas por fermentación bacteriana o la utilización de plantas y animales para fabricar medicamentos). Desde los años 60 los detergentes incorporan enzimas, lo que permite lavar a temperaturas más bajas, etc. Remediación de suelos: las bacterias están siendo utilizadas en la descontaminación y limpieza de monumentos o el tratamiento de suelos contaminados por vertidos. Generación de biogás: la biotecnología se utiliza para seleccionar la mezcla de bacterias y optimizar el proceso por el cual las bacterias degradan las deyecciones animales y otros desechos orgánicos, produciendo gas, que puede utilizarse como fuente de energía. Mejora de cultivos energéticos: la biotecnología está siendo usada para identificar las variedades de cultivos más eficientes en la generación de bioetanol (cereales y remolacha) y biodiesel (oleaginosas).

Los países de todo el mundo están prestando una atención especial al sector de la biotecnología, puesto que sus avances pueden reportar importantes beneficios sociales y económicos, y tiene multitud de aplicaciones en sectores tan dispares como son los de la alimentación, la sanidad, el medio ambiente, la energía y los procesos industriales. Los factores que promueven el desarrollo de este sector son el alto ratio existente entre el trabajo intelectual y el manual, el reducido input material y energético y, consecuentemente, el alto valor añadido del los productos finales y la ventaja que demuestran tener las pymes en este sector estratégico.

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El creciente interés que en los últimos años ha despertado la biotecnología, tanto en los medios académicos como en la actividad económica, se ha traducido en una proliferación de definiciones que refleja, por un lado, el carácter multidisciplinario de la biotecnología y, por el otro, la dificultad de fijar estrictamente sus límites. Todas las definiciones tienen en común su referencia al empleo de agentes biológicos y de microorganismos. En la actualidad el sector biotecnológico mundial sigue estando marcado por un aumento del número de fusiones y alianzas estratégicas, principalmente en los subsectores de salud humana y agroalimentación. La mayor fuente de financiación de las empresas biotecnológicas sigue siendo las alianzas estratégicas con las grandes multinacionales farmacéuticas. Desde el año 2000 se han establecido más de 600 nuevas alianzas que reportaron al sector unos 6.500 millones de dólares. En el mercado biotecnológico mundial siguen manteniendo una posición de liderazgo las empresas estadounidenses, algunas con el suficiente tamaño para equipararse a las farmacéuticas. Europa, Canadá, Japón y Australia les siguen a cierta distancia. En algunos países emergentes como India, China, México, Brasil o Taiwán, empieza a observarse el desarrollo de la biotecnología en determinados sectores. Las Naciones Unidas han abogado a su vez por un levantamiento de las restricciones contra las tecnologías innovadoras, entre ellas la biotecnología, para convertirlas en motores de desarrollo de países subdesarrollados y utilizar sus aplicaciones para solventar los graves problemas nutritivos y de salud que padecen muchos países en vías de desarrollo.

La Asociación Española de Bioempresas (ASEBIO) representa a más de 65 socios (grandes empresas y pymes, asociaciones, fundaciones, centros tecnológicos y universidades) involucrados en la investigación, desarrollo, ensayo, producción, marketing, ventas y distribución de productos y servicios biotecnológicos en los campos de la sanidad, la agricultura, la alimentación y el medio ambiente; elabora un informe anual que se ha convertido en la principal referencia informativa del sector. Las conclusiones de dicho informe apuntan a una situación momentánea y de transición para el sector, lo que sugiere la necesidad de reforzar las medidas que favorecen el crecimiento de la biotecnología española. En España el número de empresas que operan en el sector de la biotecnología, directa o indirectamente, sigue en auge, aumentando a tasas de crecimiento superiores a dos dígitos. Pese a este dato, no se ha podido observar aún la consolidación que caracteriza mercados maduros como los de Estados Unidos o del Reino Unido. La mayor parte de las empresas de gran tamaño siguen siendo multinacionales extranjeras o empresas de distribución. La mayoría de las bioempresas en España pertenecen a los subsectores de agricultura (34%) y salud humana y animal (30%), seguidas por las compañías de alimentación (13%), mientras que los subsectores de bioprocesos, medio ambiente y otros, que incluye a empresas de distribución, equipos y suministros etc., forman el resto del espectro. Las aplicaciones de la biotecnología tanto en salud humana y animal como en el entorno de la agroalimentación hacen prever un crecimiento del número de empresas operando en estos sectores a lo largo de los próximos años.

La biotecnología industrial La biotecnología industrial consiste en la aplicación de las herramientas de la biotecnología para buscar sustitutos naturales a los procesos industriales, básicamente químicos. La utilización de biocatalizadores y microorganismos seleccionados o modificados genéticamente, permite optimizar los procesos productivos, disminuir el consumo energético y de materias primas, así como conseguir una menor producción de residuos.

A este respecto, los expertos han identificado en esta área tres tendencias tecnológicas futuras: •

La biotransformación consiste en la conversión de un compuesto químico o bioquímico en otros mediante el uso de un catalizador de origen biológico o sintético, como por ejemplo las enzimas.


•

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La bioproducción consiste en la selección o modificación de microorganismos y plantas vegetales para la producción de compuestos. De cara al futuro la producción de materiales y combustibles podrá realizarse a través de materias primas biológicas, mediante producción al aire libre (cultivos y plantas), en grandes fermentadores (microorganismos) o en condiciones de confinamiento (insectos y animales). La biotecnología ambiental permite el tratamiento y recuperación de suelos, aguas y residuos urbanos e industriales. Entre otras aplicaciones, se utilizan microorganismos seleccionados genéticamente para digerir vertidos de petróleo o enzimas para digerir residuos de papeleras industriales.

mación y pueden ser biodegradados a compuestos más simples. La biodegradación puede aprovecharse por el hombre para obtener diferentes compuestos o productos de utilidad. Como los compuestos simples resultantes de la biodegradación muchas veces son inocuos o menos tóxicos que los compuestos que se metabolizan, se pueden emplear estas actividades microbianas en la biorremediación. Históricamente, el compostaje fue una primitiva forma de biorremediación, donde los residuos derivados de la recolección domiciliaria (restos orgánicos, inorgánicos, residuos industriales, etc.) eran incluidos en contenedores para ser biodegradados por microorganismos. Existen varias clases de biorremediación: •

BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA REMEDIACIÓN DE SUELOS La biotecnología es una potente tecnología que permite el desarrollo de productos y procesos industriales limpios, como la biocatálisis. Se han demostrado sus ventajas en industrias tradicionales como la textil, la del cuero y la del papel. También se han demostrado las posibilidades de las técnicas de biorremediación para limpiar el aire, el suelo y el agua contaminados: durante unos años se han utilizado bacterias para descontaminar los derrames de petróleo o purificar las aguas residuales. En el sector energético, se quieren sustituir las tecnologías contaminantes que utilizan grandes cantidades de energía por procesos actualmente en desarrollo, como la biodesulfatación y el uso de biodiesel o bioetanol; este potencial positivo todavía no está suficientemente explotado. Los estudios de la OCDE sugieren que muchas fábricas podrían reducir el impacto medioambiental y mejorar su rentabilidad si adoptaran procesos basados en la biotecnología. Por otro lado, también deben tenerse en cuenta los potenciales riesgos a largo plazo para el medio ambiente, particularmente para la biodiversidad, que entrañan algunas aplicaciones de la biotecnología. El metabolismo microbiano permite a los microorganismos transformar compuestos orgánicos o inorgánicos para obtener la energía celular. Estos compuestos sufren, por lo tanto, una biotransfor-

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•

•

Biorremediación enzimática: las enzimas son estructuras biológicas que aceleran cambios químicos, induciendo reacciones de transformación química con un gasto energético mínimo y con una elevada velocidad de reacción. Las enzimas son producidas por células como resultado de los procesos que acompañan a la traducción de la información genética. Mediante el uso de técnicas de biología molecular, se puede inducir la producción de enzimas en sistemas bacterianos con características genéticas que permiten una expresión del gen enzimático en forma constante. Con esto se logra obtener un sistema productor de enzima a gran escala, constituye un proceso biotecnológico. En la protección medioambiental, muchas empresas ofrecen tanto enzima que degradan sustancias de importancia ambiental como sistemas bacterianos inmovilizados en determinados soportes (biofiltros). Biorremediación microbiana: la utilización de microorganismos que degradan o transforman diferentes compuestos nocivos en otros de menor impacto ambiental ha experimentado un gran desarrollo en años recientes. Actualmente, tanto la microbiología ambiental como la genética bacteriana contribuyen al diseño de sistemas microbianos con capacidades metabólicas mejoradas y aumentadas. Fitorremediación: plantas que poseen metabolismos capaces de eliminar xenobió-

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ticos. Específicamente, se ha comenzado a investigar plantas y especies arbóreas específicamente capacitados para retener metales pesados. Esta novedosa tecnología tiene muchas ventajas con respecto a los métodos convencionales de tratamientos de lugares contaminados: es una tecnología económica, posee un impacto regenerativo en los lugares donde se aplica y la capacidad extractiva se mantiene debido al crecimiento vegetal. Biolixiviación: metodología de solubilización de metales a partir de matrices complejas utilizando la acción directa o indirecta de microorganismos. En el caso de los minerales sulfurados de metales de transición, los microorganismos más frecuentemente usados son bacterias quimioautótrofas y mesófilas. El uso de estas especies de bacterias en aplicaciones industriales está asociado directamente a su carácter acidófilo y a los escasos requerimientos de nutrientes e infraestructura necesaria (debido a que no requieren fuentes orgánicas de energía ni mantenimiento de temperaturas elevadas), lo que permite que el proceso sea económicamente factible para la recuperación de diferentes metales a partir de minerales. Biofiltración: los biofiltros remueven y destruyen hidrocarburos aromáticos y alifáticos responsables de los olores de los gases procedentes de descarga de las corrientes del proceso, tanques de venteo, válvulas de seguridad, extracción de compuestos del suelo con vapor, tratamiento de aguas residuales, etc. Los biofiltros pueden ser un sustituto para los oxidantes catalíticos y térmicos, así como las unidades de carbón activado. Los costos de biofiltración son significativamente menores que los de otras tecnologías de control de contaminación del aire. Los filtros son reactores biológicos de capa fija que actúan como oxidantes catalíticos a bajas temperaturas. Como el aire está cargado con contaminantes, fluye lentamente a través de los poros del medio biofiltrante, en donde los microbios residentes consumen los contaminantes y los oxidan generando CO2 y agua. Los catalizadores son enzi-

mas de hierro coloidal, aluminio, titanio y óxido de manganeso, alumininosilicato y cal superficial. Estos catalizadores son tan efectivos que no se requiere combustible o compuestos químicos. No se generan contaminantes secundarios o residuos.

PROCESOS DE BIOTRANSFORMACIÓN Las enzimas son catalizadores de origen biológico responsables de las reacciones químicas que tienen lugar dentro de los seres vivos. Presentan una alta especificidad, proporcionando una capacidad de transformación altamente selectiva y versátil, de gran impacto en el mundo químico. La biocatálisis o biotransformación es el proceso por el cual se produce la conversión de un compuesto químico en otro, mediante el uso de un catalizador de origen biológico o biocatalizador, que puede ser una enzima o sistema enzimático aislado, o bien el orgánulo, célula o tejido completo en el que este sistema se encuentra. Debido a su origen biológico, las enzimas actúan en medios acuosos, en condiciones suaves de temperatura y pH, por lo que no requieren el uso de disolventes orgánicos potencialmente peligrosos o contaminantes, ni grandes aportes de energía necesarios para alcanzar temperaturas elevadas. En algunos casos, la producción de ciertos compuestos por medio de tecnologías enzimáticas puede llegar a minimizar el requerimiento energético hasta un 60% y disminuir el gasto de agua hasta el 80%. Por ejemplo, la fabricación de poliésteres y polímeros acrílicos utilizando procesos biocatalíticos basados en la utilización de lipasas reducen la temperatura de reacción de polimerización de 200 ºC a 60 ºC y se elimina el uso de disolventes orgánicos. En cuanto a los residuos que se producen, suelen ser en cantidades relativamente pequeñas y además se trata de compuestos biodegradables que pueden ser reciclados o vertidos sin tratamientos excesivos. La utilización de enzimas, por tanto, puede decirse que es un ejemplo de tecnología verde.

LA BIOPRODUCCIÓN La bioproducción implica el empleo de organismos vivos, ya sean hongos, levaduras, algas, plantas o incluso animales que pueden dirigirse y especializarse en la producción de proteínas o


metabolitos concretos que tienen aplicaciones en amplios sectores industriales. Las fuentes tradicionales de materias primas para la producción en sectores químico-industriales y energéticos provienen por lo general de la petroquímica, así muchos de los materiales y combustibles que hoy en día se utilizan, y sin los que no se podrían entender las sociedades modernas, provienen del petróleo y sus derivados. De cara al futuro, la producción de materiales y combustibles podrá realizarse a través de materias primas biológicas, bien mediante producción al aire libre: cultivos y plantas; en grandes fermentadores: microorganismos; o en condiciones de confinamiento: insectos y animales. Así, por ejemplo, el precio y la limitada disponibilidad de materias primas petroquímicas, junto con la necesidad de desarrollar materiales respetuosos con el medio ambiente que sean capaces de suplir nuevas necesidades, han llevado al desarrollo de nuevos materiales poliméricos a partir de materias primas renovables, con propiedades novedosas. Entre estas propiedades se pueden mencionar el desarrollo de materiales que permitan liberación controlada de medicamentos, nutrientes o aromas, órganos híbridos artificiales, envases inteligentes, recubrimientos antiensuciamiento, superficies que permitan la inmovilización de enzimas o receptores, superficies autolimpiables, etc. Existen distintos ejemplos de polímeros fabricados a partir de materias primas renovables como el almidón o el ácido láctico. El ácido poliláctico (PLA) es un biopoliéster alifático producido a partir de monómeros de ácido láctico, que se obtienen a partir de la fermentación de azúcares de maíz, remolacha, caña de azúcar, etc. Es uno de los polímeros con mayor potencial en la producción a gran escala de materiales para envases basados en fuentes renovables en sustitución de plásticos. Presenta buenas propiedades mecánicas, de apariencia y biodegradabilidad, pero aún necesita ser mejorado.

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Los filtros biológicos se utilizan para adsorber los olores en los gases de determinados procesos. Están diseñados de manera que puedan soportar variaciones de carga sin que su rendimiento se vea sensiblemente afectado. La mayoría de estos sistemas recirculan el afluente tratado para aumentar el rendimiento. Normalmente su funcionamiento no se halla condicionado por un sistema limitante. Así cuando el afluente ha saturado la capacidad de adsorción del filtro, el gas sigue pasando sin que se ejerza ningún tipo de depuración. La digestión en el filtro es fundamentalmente aerobia, aunque puedan presentarse zonas anaerobias en capas menos superficiales (si hay zonas anaerobias se produce metano). El rendimiento, en cuanto a la eliminación, y en función de la materia orgánica de la DBO, es del 75 al 90%. Se trata de pequeños reactores cuyo soporte es un material poroso en cuyo interior una serie de microorganismos van catalizando biológicamente y llevando a cabo reacciones. Las principales ventajas de estos sistemas biológicos son: • • •

Ausencia de reactivos y no genera residuos secundarios. La esperanza de vida varía de una a siete años. No necesita personal especializado y poco mantenimiento.

Los rellenos más usuales son la turba fibrosa, cortezas o compost. La carga específica normal de trabajo oscila de 50 a 400 m3/m2·h. Los principales compuestos provenientes de las sustancias contaminantes comunes suelen ser el sulfuro de hidrógeno y el ácido butírico, todo ello con una eficacia razonable. El dimetilmercaptano o el disulfuro de metileno o las aminas sufren reacciones muy similares. Factores como la temperatura o el amoniaco pueden destruir la fauna.

La biotecnología aplicada a la producción de materiales de interés energético La utilización de biomasa como materia prima para la obtención de energía ofrece múltiples ventajas, principalmente debido a su bajo coste y

a su disponibilidad. Se estima que la producción mundial de biomasa anual es aproximadamente 170.000 de millones de toneladas, de las cuales tan

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solo un 7% se utiliza con fines energéticos. Actualmente la mayor parte de la biomasa que se usa para producción de energía se consume por combustión directa, pero es posible obtener gran diversidad de productos que se adaptan a todos los campos de utilización actual de los combustibles tradicionales, incluyendo la producción de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. En diciembre de 2005 la Comisión Europea presentó el Plan de Acción sobre la biomasa, en el que se establecen medidas para incrementar el uso de la biomasa en tres sectores que son calefacción, electricidad y transporte, junto con medidas transversales que se refieren al suministro de biomasa, financiación e investigación en materia de biomasa. Dentro de este plan de medidas destacan aquellas encaminadas a potenciar el uso de biocarburantes o biocombustibles, incluyendo la utilización de subproductos animales para la producción de biogás y biodiesel. Los biocombustibles se presentan como la principal tendencia tecnológica de futuro, ya que suponen una alternativa energética que permite reducir la dependencia de los combustibles fósiles (petróleo y gas), atenuar el impacto económico de la subida del precio del petróleo, disminuir la dependencia de su suministro exterior y la reducción de la emisión de gases con efecto invernadero. La biotecnología industrial y energética, en general, y los biocombustibles, en particular, permitirán la reconversión de extensiones agrícolas de cultivos alimentarios poco productivos, en cultivos energéticos o industriales, lo que supone un aliciente económico para algunas zonas rurales deprimidas. El valor de producción del sector energético español, en 2005, fue de más de 41.000 M€ y generó más de 300.000 empleos directos e indirectos. Es aún más estratégico que el químico-industrial (que generó, en 2005, 35.600 millones de euros y soportó más de 500.000 empleos) pues de la energía, su producción y precio de compra depende el desarrollo económico del país. También es importante señalar que otra ventaja que presenta la utilización de biomasa en la producción de biocombustibles es estimular la actividad económica en las zonas rurales, y en concreto en las agrícolas y forestales. No cabe duda, que muchos cultivos o tierras de labor que hoy en día

se está pensando abandonar o no cultivar, debido a la nueva reforma de la Política Agrícola Común (PAC), pueden encontrar una segunda oportunidad con los cultivos energéticos. Así lo pone de manifiesto el informe Una Estrategia de Biocarburantes para España (2005-2010), que resalta la oportunidad que el sector de los biocarburantes representa para el tejido agrario y la creación de puestos de trabajo. Los biocombustibles líquidos o biocarburantes se obtienen por transformación de materias primas específicas procedentes del sector agrícola, siendo los principales el bioetanol y el biodiesel. El bioetanol es un alcohol que se produce mediante fermentación a partir de cultivos de cereales, remolacha, patata o caña de azúcar. Su uso permite sustituir parcial o totalmente a las gasolinas o a los aditivos que se utilizan en los motores de explosión para aumentar el índice de octano. Entre las ventajas de su empleo destaca que es un producto soluble en agua, mucho más degradable que los hidrocarburos, y su utilización como combustible supone evitar la emisión a la atmósfera del CO2 procedente del combustible fósil sustituido. Por cada litro de gasolina sustituido se evita la emisión de 1,85 kg de CO2 (incluyendo la emisión procedente de la combustión directa así como la debida a los procesos de extracción, transporte y refino). En la actualidad se está desarrollando la producción de etanol a partir de materiales celulósicos, existiendo varias plantas piloto. El biodiesel se obtiene mediante la transesterificiación de aceites vegetales y de fritura y se utiliza como sustituto del gasóleo de automoción. En Europa la mayor parte de este aceite proviene de colza, pero en otros países también se utilizan soja, girasol, cacahuete o palma oleífera. Su fabricación es un proceso sencillo que se realiza a temperatura moderada en presencia de un catalizador. La utilización de biodiesel en lugar de gasóleo supone evitar la emisión a la atmósfera del CO2 procedente del gasóleo sustituido y se puede considerar que por cada litro de gasóleo reemplazado se evita la emisión de 2,38 kg de CO2, correspondientes a la combustión directa del carburante y a los procesos de extracción, transporte y refino. Además de la reducción de emisiones de CO2, el biodiesel no emite dióxido de azufre y se reduce la emisión de partículas, metales pesados, CO, COV y PAH.


La producción de biocarburantes en España se inició en el año 2000 con una planta de bioetanol construida en Cartagena y ha sufrido desde entonces un incremento notable, contando a finales de 2004 con ocho instalaciones y más de 36 en 2009. En los próximos años es posible que a estos biocombustibles se una el biobutanol. Se trata de un alcohol semejante al etanol que presenta las ventajas de tener menor presión de vapor y mayor tolerancia a la contaminación con agua que las mezclas con gasolinas, lo que facilita su distribución y almacenamiento. Se puede obtener a partir de las mismas materias primas que el bioetanol mediante la fermentación con la bacteria Clostridium acetobutylicum. El biogás procede de la digestión de la biomasa en condiciones anaerobias por microorganismos fermentadores. Su composición es variable, pero está formado principalmente por metano y CO2 y, en menor proporción, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y trazas de sulfuro de hidrógeno. Su poder calorífico está determinado por la concentración de metano, que puede aumentarse eliminando parte o todo el CO2 que lo acompaña. La ventaja que presenta la producción de biogás es que como materia prima pueden utilizarse residuos industriales y municipales, material orgánico procedente de la agricultura y ganadería, etc. No obstante, presenta algunas limitaciones, como elevados costes de producción y procesos de conversión biológica incompleta. Por último se encuentra el hidrógeno, considerado actualmente como un “vector energético” si-

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milar a la electricidad, cuya combustión produce agua y una gran cantidad de energía (27 kcal/g). La ausencia de producción de gases invernadero en su combustión hace que se considere un combustible limpio. En la actualidad se extrae de productos derivados del petróleo, reformado de hidrocarburos y la electrólisis del agua, pero existe la posibilidad de obtenerlo mediante reformado de biomasa o bioetanol. Se están realizando investigaciones sobre la producción biológica de hidrógeno por microorganismos. Existen determinadas algas verdes y cianobacterias capaces de fijar hidrógeno a partir de agua mediante un proceso fotobiológico que no requiere biomasa como intermediario. Estos microorganismos poseen unas enzimas denominadas hidrogenasas bidireccionales que, bajo ciertas condiciones, son capaces de usar los electrones involucrados en el proceso de fotosíntesis para reducir protones, generando hidrógeno molecular. La ventaja que posee esta alternativa es que la fuente de electrones o poder reductor procede del agua, que es un sustrato limpio y, en teoría, inagotable. La biotecnología energética se caracteriza por la utilización de las cosechas agrícolas y sus residuos como fuente de energía. El almidón de maíz o trigo, los aceites vegetales de la colza o el girasol o los residuos urbanos, son utilizados para la producción de bioetanol, biodiesel o biogás, respectivamente, mediante la acción de enzimas que aceleran los procesos y la fermentación por microorganismos.

La biotecnología en la industria de las materias primas Ante la inminente crisis energética y alimentaria que se cierne a mediados del siglo XXI, muchos científicos creen que la biotecnología puede constituir una herramienta para obtener materias primas, o producirlas sin tanto despilfarro energético y gasto de materias primas.

LA BIOTECNOLOGÍA Y LA MINERÍA La lixiviación bacteriana, también conocida como biolixiviación, biohidrometalurgia o biooxidación de sulfuros, puede definirse como un proceso natural de disolución que resulta de la acción

de un grupo de bacterias, principalmente del género Thiobacillus, con habilidad de oxidar minerales sulfurados, permitiendo la liberación de los metales en ellos. Durante mucho tiempo, se pensó que la disolución o lixiviación de metales era un proceso netamente químico, condicionado por agua y oxígeno atmosférico. El descubrimiento de bacterias acidófilas ferro y sulfooxidantes ha sido primordial en la definición de la lixiviación como un proceso catalizado biológicamente. En términos más globales, se puede señalar que la biolixiviación es una tecnología que emplea bac-

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terias específicas para lixiviar, o extraer, un metal de valor como uranio, cobre, zinc, níquel y cobalto presente en las menas o en un concentrado mineral. El producto final de la biolixiviación es una solución ácida que contiene el metal en su forma soluble. De otro lado, el término biooxidación se utiliza para describir un proceso que emplea bacterias para degradar un sulfuro, usualmente pirita o arsenopirita, en la que el oro o la plata, o ambos, se encuentran encapsulados. La tecnología microbiana presenta ventajas sobre los métodos no biológicos, entre los que se pueden citar: •

•

• •

Requiere poca inversión de capital (las bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas ácidas de minas). Bajos costos de operación necesarios para las operaciones hidrometalúrgicas en comparación con los procesos convencionales. Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental durante el proceso. El tratamiento de la creciente acumulación de minerales de baja ley en las minas que no pueden ser económicamente procesados por los métodos tradicionales.

ASPECTOS MICROBIOLÓGICOS DE LA LIXIVIACIÓN Los microorganismos que son responsables de la disolución de los metales a partir de minerales son, principalmente, organismos quimiosintéticos y autotróficos pertenecientes al género Thiobacillus, aunque no es la única. De las especies de Thiobacillus que se conocen la que más atención ha recibido es Thiobacillus ferrooxidans, cuya presencia fue demostrada por Colmer y Hinkle, a comienzos de los años 50, en el drenaje de unas minas de carbón que reportaban altos contenidos de ácido y hierro. El Thiobacillus ferrooxidans se presenta en forma bacilar, de 0,5 a 1,7 μ, algunas cepas tienen flagelos, es quimioautotrófico, capaz de oxidar compuestos inorgánicos como iones ferrosos (Fe II) y azufre, los que le sirven de fuente primaria de energía. El carbono necesario para su arquitectura celular lo obtiene por fijación de CO2, de manera similar a las plantas verdes (ciclo de Calvin-Ben-

son). Es aerobio (requiere de O2 como aceptor final de electrones), acidófilo (se desarrolla en rangos de pH que varían entre 1,5 y 3,0) y a temperaturas que oscilan entre 25-35 ºC. Es considerada como el mayor contribuyente en la producción de aguas ácidas que drenan de depósitos de metales sulfurados, gracias a la capacidad que tienen de oxidar minerales de disulfuro de hierro, generando soluciones ácidas de sulfato férrico. El efecto de ciertos factores ambientales sobre el desarrollo y crecimiento de las bacterias juega un rol importante dentro del proceso de lixiviación bacteriana, de ahí la importancia del control de factores como el pH, la presencia de oxígeno, la temperatura, la influencia de la luz, los requerimientos nutricionales, tamaño de partícula y el efecto de inhibidores, entre otros. Presencia de inhibidores: en los procesos de molienda o por acción propia del agente lixiviante se liberan algunos iones que en ciertas concentraciones resultan tóxicas para las bacterias ferrooxidantes afectando el desarrollo bacterial. Los niveles de tolerancia de las bacterias para ciertos metales es Zn+2 = 15 -72 g/l; Ni+2 = 12 - 50 g/l; Cu+2 = 15 g/l; Ag+ = 1ppb; UO2+2 = 200 - 500 mg/l, entre otros. Otros microorganismos de importancia, como muestra la Tabla 49.1, dentro de este grupo y estrechamente asociados a Thiobacillus ferrooxidans son: •

•

•

Thiobacillus thiooxidans: se lo puede encontrar en depósitos de azufre y sulfurosos, desde donde es fácil aislarlos. Se caracteriza porque solo es capaz de oxidar azufre. Se desarrolla a temperatura entre 5 ºC y 40 ºC, a un pH en el rango de 0,6 a 6,0, siendo el óptimo 2,5. Son aerobios estrictos. T. acidophilus: fue aislado por primera vez por Markosyan en 1973 a partir de minerales. Presentan forma bacilar, son aerobios estrictos, oxida el azufre y utiliza compuestos orgánicos como parte de sus requerimientos nutricionales. Tiobacilos semejantes a termófilos: aunque no están bien estudiados, es reconocida su importancia en los procesos hidrometalúrgicos. Muestran un activo crecimiento sobre medios conteniendo Fe+2 y sulfuros en presencia de extracto de levadura.

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Biotecnología y sistemas avanzados de ahorro de energía Tabla 49.1. Aplicaciones de bacterias con efectos lixiviantes. Fuente energética

pH

Temperatura (ºC)

Thiobacillus ferrooxidans

Microorganismo

Fe+2 , U+4 , Sº

1,5

25 - 35

Thiobacillus thiooxidans

Sº

2,0

25 - 35

+2

Leptospirillum ferrooxidans Sulfolobus

1,5

25 - 35

Sº , Fe+2 , C orgánico

2,0

> a 60

C orgánico

2,0

25 - 35

Fe

Acidiphilium cryptum

-2

Th. intermedius

Sº, S , C orgánico

2,5

30

Th. napolitanus

Sº, S-2

2,8

30

Th. acidophilus

Sº, S-2

3,0

-2

3,5

Th. thioparus Thiobacillus TH2 y TH3

Sº. S

Fe+2, S-2

Metallogenium sp. Heterotrofos

•

C orgánico

•

25 - 40

Leptospirillum ferrooxidans: son vibriones en forma de espira, como pseudococos. Móviles por la presencia de un flagelo polar simple. Las colonias sobre silica gel son pequeñas y de color marrón rojizo debido a la formación de hierro férrico. Son aerobios estrictos y quimioautotróficos obligados. Utiliza Fe+2 y FeS2 como fuente energética.

Muchos sulfuros metálicos pueden ser atacados por acción bacterial, dando lugar a la producción de los correspondientes sulfatos solubles. Para sulfuros refractarios de oro y metales del grupo del platino, el ataque bacterial termina siendo un pretratamiento. Oxidación de la pirita: la pirita (FeS2) es un sulfuro ampliamente distribuido y se lo puede hallar en asociación con muchos metales como cobre, plomo, zinc, arsénico, plata, oro, entre otros. Su oxidación da lugar a la formación de sulfato férrico y ácido sulfúrico. Sulfuros de cobre: la oxidación biológica de sulfuros de cobre ha sido el proceso más estudiado. El cobre se disuelve transformándose en sulfato de cobre (CuSO4). La calcopirita (CuFeS2) es el sulfuro de cobre más difícil de oxidar. Bajo la influencia de

50

4,5

Fe

APLICACIÓN DE LOS PROCESOS BIOTECNOLÓGICOS A LA BIOOXIDACIÓN DE SULFUROS

•

6,0

+2

•

T. ferrooxidans la velocidad de oxidación de este sulfuro se incrementa hasta en doce veces más que el proceso netamente químico. Los sulfuros secundarios de cobre, calcocita (Cu2S), covelita, bornita, son oxidados más fácilmente bajo el impacto de las bacterias. A escala industrial, la tecnología ha venido siendo aplicada en pilas de materiales denominados estériles (Chile, EE UU, Perú, etc.). Sulfuros de metales preciosos: la lixiviación bacteriana se emplea para romper la matriz del sulfuro (principalmente, pirita y/o arsenopirita) en la que se encuentra “atrapada” la partícula aurífera, permitiendo la posterior recuperación de la misma por cianuración convencional. Realmente, el proceso es un pretratamiento previo a la disolución directa del metal. Los procesos industriales han tenido enorme aplicación, entre los que destacan: el proceso BIOX, de Gencor, y que tiene plantas como la de Ashanti con capacidad para tratar hasta 1.000 t/día de mineral. En 1998, Mintek y Bactech se asociaron para comercializar el proceso en todo el mundo. Esta asociación ha dado sus primeros frutos y ya se ha iniciado la construcción de la planta que emplea esta tecnología en Tasmania para tratar el mineral aurífero refractario. Las evaluaciones preliminares han reportado una recuperación de hasta el 98% del oro contenido en el mineral.

866 •

•

•

•

•


Sulfuros de zinc: la acción bacterial de sulfuros de zinc también ha sido evaluada, y aunque no se conoce de plantas comerciales, su aplicación tiene un enorme potencial. La marmatita es el sulfuro de zinc más fácil de oxidar, influenciado enormemente por la presencia de hierro. Sulfuros de plomo: la lixiviación bacterial de galenita origina la formación de PbSO4 que es insoluble en medio ácido, característica que puede emplearse en la separación de algunos valores metálicos acompañantes en una mena de plomo. Sulfuros de níquel: el níquel es lixiviado a partir de sulfuros y de menas de hierro en presencia de T. ferrooxidans de dos a diecisiete veces más rápido que el proceso netamente químico. Sulfuros de antimonio: se conocen de algunos trabajos que reportan la habilidad de T. ferrooxidans de oxidar antimonita (Sb2S3) a pH 1,75 y a 35 ºC. También hay que citar la capacidad de B. thioparus y T. thiooxidans de oxidar este sulfuro. Sulfuros de metales raros: los metales raros se presentan en la parte cristalina de muchos sulfuros o silicatos. Para liberarlos es necesario oxidar los sulfuros o destruir la matriz de silicato. La literatura muestra la posibilidad de oxidar, empleando bacterias del grupo de Thiobacillus, de una variedad de estos metales, entre los que se puede encontrar galio y cadmio presente en la esfalerita (el principal transportador de estos elementos); de germanio y cobalto, de renio, selenio y telurio, titanio y uranio, entre otros.

DESULFURIZACIÓN DEL CARBÓN La presencia de azufre en las menas de carbón constituye un contaminante, cuya eliminación constituye un problema, sobre todo desde el punto de vista ambiental. La oxidación biológica de la porción piritosa o sulfurada permitirá eliminar el azufre presente. Muchos trabajos de laboratorio han demostrado que un importante porcentaje (generalmente por encima del 90%) del azufre contenido en la pirita puede ser removido del carbón

bituminoso, subbituminoso y lignito en periodos de una a dos semanas por T. ferrooxidans. También es posible emplear bacterias termófilas del género Sulfolobus en la desulfurización de las menas de carbón. La eliminación del azufre orgánico presente en el carbón por vía microbiana es un área de interés por muchas razones. En algunos casos, la presencia de este tipo de azufre representa un porcentaje considerable del azufre total del carbón. Debido a que la efectiva desulfurización del carbón involucra tanto la remoción del carbón orgánico como del inorgánico, los procesos microbianos que operan en condiciones cercanas a las ambientales presentan innumerables ventajas sobre los métodos químicos y físicos convencionales.

BIORRECUPERACIÓN DE METALES Una tarea importante de la hidrometalurgia es la recuperación de los metales presentes en las soluciones, así como el tratamiento de las aguas residuales de las diferentes industrias, en cumplimiento de las rigurosas normas ambientales. Existen muchos microorganismos con capacidad para adsorber o precipitar metales. Algunas de estas formas, como los microbios, recuperan los metales que se detallan a continuación: •

•

Precipitación: la precipitación de metales bajo la forma de sulfuros involucra el empleo de bacterias sulfato reductoras para producir H2S, que tiene la capacidad de precipitar prácticamente la totalidad del metal contenido en una solución. Hay que hacer notar que el proceso se realiza en ausencia de oxígeno (anaerobiosis) en contraposición a la biooxidación de sulfuros que requiere de oxígeno (proceso aerobio). Biosorción: las investigaciones sobre las biosorción de metales a partir de soluciones señalan que la habilidad de los microorganismos permitiría recuperar hasta el 100% de plomo, mercurio, zinc, cobre, níquel cobalto, etc., a partir de soluciones diluidas. El empleo de hongos hace posible recuperar entre 96% a 98% de oro y plata. También se ha demostrado que cepas de Thiobacillus son capaces de acumular plata, lo que


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Tabla 49.2. Microorganismos usados en la recuperación de metales. Microorganismo

+:

Hongos, levaduras y bacterias

Biosorción de elementos radioactivos y otros: Al, Ag, Zn, Cr, Ni, Cu, etc.

Chitina y chitosán

Adsorción de Se, Zr, Hf, Ru de aguas circundantes en un sistema de enfriamiento de un reactor nuclear.

Bacterias sulfato reductoras

Precipitación de metales a partir de soluciones. C org. + SO4= ---- Sº + CO2 S= + Me ----- MeS ¯

Bacterias reductoras

Reducción del metal. Cr+6 ---- Cr+3

permitiría recuperar este metal a partir de aguas residuales de la industria fotográfica. La biosorción de metales conduce a la acumulación de estos en la biomasa. El mecanismo involucra a la pared celular. En los hongos, la adsorción de metales se encuentra localizada en las moléculas de chitina y chitosán. De otro lado, el cobre puede recuperarse a partir de óxidos, por hongos, que producen ácidos orgánicos que forman complejos con el cobre. • Reducción: la reducción microbial de metales implica una disminución en la valencia del metal. En algunos casos, la reducción es parcial (el metal reducido aún exhibe una carga neta), mientras que en otros el ión metálico es reducido a su estado libre o metálico. La Tabla 49.2 resume la acción de algunos microorganismos usados en la recuperación de los metales.

PERSPECTIVAS FUTURAS DE LOS PROCESOS BIOTECNOLÓGICOS Son numerosas las posibilidades que se presentan para la aplicación de los procesos biotecnológicos en el beneficio de los minerales, algunos de los cuales se reseñan brevemente en las siguientes líneas. Los microorganismos pueden utilizarse como agentes floculantes o como colectores en los procesos de flotación de minerales. La capacidad de muchos microorganismos está en que pueden adherirse a superficies sólidas gracias a la interacción existente entre la carga de la pared celular y las condiciones hidrofóbicas, modificando la superficie del mineral permitiendo su flotación y floculación (empleado en

la separación de las fases sólida y líquida de una pulpa). Por ejemplo, se ha concluido que una bacteria hidrofóbica es un excelente floculante para un número de sistemas minerales. Los minerales que han podido ser floculados con este organismo incluyen a la hematita, ciertos lodos de fosfatos, floculación selectiva de carbón en menas piritosas, entre otras. Igualmente, este microorganismo es buen colector de hematita, y puede emplearse en reemplazo del colector químico. Otra área de enorme interés es el empleo de microorganismos heterótrofos, generalmente parte de la flora acompañante de Thiobacillus, como herramienta para la lixiviación de sistemas no sulfurados. Tal es el caso del empleo de un esquema de lixiviación bacterial heterotrófico para menas lateríticas de baja ley y que permitiría incrementar enormemente las reservas económicamente explotables de níquel. También el empleo de heterótrofos en la lixiviación de menas de manganeso, plata y fosfato podría incrementar el número de reservas para estos commodities importantes. Su empleo radica en la enorme ventaja que significa su rápida velocidad de crecimiento, en comparación con los autótrofos. La biodegradación de compuestos tóxicos orgánicos representa otra especialidad importante de aplicación de los procesos biológicos. Hay que recordar que una amplia variedad de sustancias, tóxicas y no tóxicas, pueden ser descargadas al medio ambiente como consecuencia de las operaciones mineras. Muchos de estos compuestos son productos químicos complejos empleados en flotación y en procesos hidrometalúrgicos. Otros incluyen a productos derivados del petróleo empleados de manera diversa en las operaciones mineras. Asimismo se reconoce la habilidad de ciertos microorganismos o de sus enzimas de degradar,

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bajo ciertas condiciones, cianuro empleado en la recuperación de oro y plata. Ejemplo a nivel industrial de esta aplicación lo constituye la planta de Homestake, en EE UU, que viene funcionando desde 1984, y emplea una cepa nativa de Pseudomonas. También es de potencial importancia el empleo de ciertas especies vegetales en la prospección geológica de yacimientos minerales, como en la limpieza y recuperación de suelos contaminados con iones metálicos pesados. Aunque el empleo de plantas u organismos completos escapa a la definición de biotecnología, el uso de estas permitirá centrar su aplicación en áreas donde existen depósitos de lodos (secos) antiguos o en zonas urbanas caracterizadas por su alto grado de contaminación. Un equipo formado por el Centro Nacional de Biotecnología, CNB, y la Facultad de Biología de la Universidad de Barcelona, han introducido en el genoma de la bacteria R eutropha un gen de ratón que confiere unión a metales pesados. Las pruebas de laboratorio llevadas a cabo hasta la fecha muestran cómo las plantas de tabaco utilizadas en el experimento son capaces de crecer, pese a la abundancia de metales pesados en el suelo, mientras que plantas testigo, crecidas en el mismo suelo pero sin bacterias recombinantes, mueren en poco tiempo. El gen de ratón introducido en el genoma de la bacteria R. eutropha MTB provoca la secreción de una proteína capaz de unirse a metales pesados en la superficie celular del microorganismo. Mediante procedimientos de ingeniería genética, han conseguido finalmente esta bacteria recombinante que tiene la facultad de disminuir la toxicidad del suelo en el que se encuentra. Esta primera bacteria, que elimina cadmio, abre la puerta para la creación de nuevos microorganismos capaces de inmovilizar otros metales pesados, contaminantes que habitualmente no se pueden eliminar con otros procedimientos. Este equipo de investigadores no considera posible que esta bacteria pueda tener efectos no deseados sobre el medio ambiente, ya que se trata de un microorganismo natural, habitual habitante de nuestros suelos y al que se ha introducido un gen de mamífero del que se conoce su ausencia de toxicidad.

Un equipo del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha participado en el análisis del genoma de una bacteria marina que es capaz de obtener por sí misma energía de la luz sin poner en marcha el complejo mecanismo de la fotosíntesis, además de alimentarse de partículas de materia orgánica. Este tipo de microorganismo, con un metabolismo mixto a medio camino entre las algas y las bacterias, podría servir para desarrollar energías renovables en un futuro. El microorganismo, aislado en muestras de agua del Mediterráneo, fue denominado Polaribacter debido a que está relacionado con bacterias que se habían detectado con anterioridad en muestras de regiones polares. Polaribacter sp. MED152 puede captar la energía de la luz porque sintetiza una proteína llamada proteorodopsina y un pigmento retinal, similar al de la retina de los seres humanos. Se sabe que estas bacterias estarían adaptadas a vivir en dos tipos de entornos. En el primero, se encontrarían adheridas a partículas de materia orgánica donde metabolizarían sustancias muy complejas. Cuando no encuentran alimentos, las células de Polaribacter se trasladarían a una columna de agua lanzándose a una travesía en el desierto durante la que serían capaces de obtener energía de la luz para sobrevivir. Algunos estudios moleculares recientes demuestran que el tipo de microorganismo descrito, perteneciente a las flavobacterias, es muy abundante en la superficie de los océanos. El hallazgo tiene implicaciones sobre el papel que juegan las bacterias marinas en la regulación de la atmósfera y los mecanismos implicados en la concentración de CO2 en el cambio global. La fijación de dióxido de carbono y la formación de oxígeno en los océanos suponen cerca de la mitad de la fotosíntesis global terrestre. Las cianobacterias, algas y bacterias fotosintéticas, se encargan de este proceso y son el grupo de bacterias más estudiadas. Las proteobacterias, por el contrario, se han especializado en alimentarse de sustancias orgánicas muy sencillas. La biotecnología suele emplearse sobre residuos de distinto tipo para obtener una valorización de los mismos, para su reciclaje propiamente dicho, o para eliminar componentes tóxicos. El


tratamiento biológico de residuos se utiliza fundamentalmente sobre residuos de origen orgánico y tiene dos líneas principales de aprovechamiento: la producción de biogás por fermentación anaerobia (en ausencia de oxígeno) y la producción de compost por fermentación aerobia (en presencia de oxígeno). Un ejemplo claro, aunque no el único, es el de las depuradoras biológicas de aguas residuales de las ciudades. Algunos tipos de residuos también pueden utilizarse para la extracción de sustancias biológicas (enzimas, vitaminas, aceites, etc.) de gran valor añadido. Por otro lado, los bio-

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filtros permiten eliminar componentes indeseables de residuos gaseosos, por ejemplo de ciertos gases procedentes de fábricas. Por lo que se refiere a residuos inorgánicos, existen tratamientos biológicos para transformar el anhídrido sulfúrico procedente de las refinerías de petróleo en azufre para su posterior aplicación en otros sectores industriales. Otro ejemplo importante es el tratamiento de residuos con altas concentraciones de metales pesados, donde la biotecnología puede ayudar a inmovilizar, separar o volatilizar estos metales.

Noción de

50

EL CONCEPTO BIORREFINERÍA ES ANÁLOGO AL DE UNA REFINERÍA DE PETRÓLEO. LA BIOMASA ES FRACCIONADA EN COMPONENTES QUE SE TRANSFORMAN EN PRODUCTOS COMERCIALES DE FORMA SEPARADA • •

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Las biorrefinerías industriales representan una estrategia integral para la utilización de la biomasa y la creación de una nueva actividad basada en ella. El concepto de biorrefinería se extrae a partir de las refinerías petroquímicas, en las cuales múltiples productos son obtenidos en instalaciones integradas. Así, en una biorrefinería, la biomasa es fraccionada en componentes que se transforman en productos comerciales de forma separada. Una biorrefinería puede, simultáneamente, producir productos químicos, biocombustibles líquidos, electricidad y calor. Al convertir biomasa en etanol, los coproductos son también iguales en valor al etanol producido. La biorrefinería integrada incrementa el valor individual de los componentes de biomasa, como así también de los coproductos. Algunos países, Canadá, Países Bajos, han diseñado un plan para autoabastecerse de productos alternativos a los petrolíferos. Para ello se diseñan plantas que puedan conseguir materiales similares a los petrocarburantes a partir de biomasa. Las biorrefinerías se han identificado como una nueva vía hacia una industria basada en la biotecnología. El enfoque integrado de biorrefineria permitirá aprovechar todas las posibilidades de valorización de los cultivos de microalgas, y garantizar la rentabilidad del proceso global, que podría verse comprometido en el caso de enfocarse únicamente hacia la producción de aceite para biodiesel. La producción de cereales (maíz, trigo, cebada, etc.) genera una gran cantidad de residuos agrícolas, principalmente los tallos y las hojas. Una cantidad sustancial de estos residuos poco aprovechados se podría recoger y utilizar como materia prima para la producción de etanol sin afectar el equilibrio ecológico. Las dos principales rutas de conversión de la biomasa están basadas en procesos biológicos (enzimáticos) o termoquímicos. Una biorrefinería, en su máxima simplicidad conceptual, es una planta que transforma un residuo lignocelulósico en biocarburante, sin dejar residuos secundarios.

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Introducción La utilización integral de la biomasa ha permitido el desarrollo de un concepto denominado biorrefinería, que se define como una instalación industrial que convierte y procesa la biomasa para transformarla en combustible, energía y productos químicos. De esta forma se establece un proceso análogo a las refinerías de petróleo, las cuales producen una múltiple variedad de productos a partir del petróleo. Las biorrefinerías industriales representan una estrategia integral para la utilización de la biomasa y la creación de una nueva actividad basada en ella. La elaboración de productos diversos permite obtener ventajas comparativas sobre los procesos individuales ya que aprovecha las etapas intermedias de la transformación para maximizar el rendimiento de la biomasa que es ingresada al sistema. De esta forma una biorrefinería puede, simultáneamente, producir productos químicos, biocombustibles líquidos, electricidad y calor. Un ejemplo esquemático de este concepto se muestra en la Figura 50.1. La relación entre las materias primas de la agricultura e industria química es en extremo importan-

Figura 50.1. Esquema conceptual de una biorrefinería.

te para la biorrefinería. Para cada país, este puente es diferente. En muchos países los esfuerzos han sido dirigidos a asegurar que las materias primas de biomasa sean usadas en productos terminados. En los Países Bajos un gran número de iniciativas han surgido para incrementar el desarrollo de la bioenergía, con una meta del 30% para 2030. Para abordar estas cuestiones, muchos países se dan cuenta de la importancia de cadenas de abastecimiento y coproducción de productos alternativos a partir de biomasa. El rol de los campesinos en la cadena de abastecimiento es también importante porque producir y vender biomasa está, necesariamente, ligado al sentido de economía. Una combinación de diferentes productos provenientes del campo de la industria química incrementará las ganancias potenciales y proveerá fuertes incentivos. Hay un renovado interés a partir de la industria química y papeleras a raíz del encarecimiento de sus habituales materias primas. Muchos productos químicos pueden fabricarse a partir de biomasa sin mayores ingredientes. De la misma manera, al convertir biomasa en etanol, los coproductos son también iguales en valor al etanol producido. La

Noción de biorrefinería

biorrefinería integrada incrementa el valor individual de los componentes de biomasa, como así también de los coproductos. La biorrefinería une la brecha entre agricultura y las industrias químicas proveyendo una demanda de materias primas de biomasa y produciendo un menú de productos químicos terminados. Cuando esos productos son elaborados a partir de materias primas de combustibles no fósiles, también promueven metas estratégicas nacionales para la producción de energías renovables. El concepto de una biorrefinería es extraído a partir de las refinerías petroquímicas, en las cuales múltiples productos se obtienen en instalaciones integradas. Las biorrefinerías existentes incluyen plantas de molido y procesado de maíz y fábricas de pastas celulósicas para papel. La visión futurista consiste en que la biorrefinería podría integrar varios procesos de conversión para producir desde combustibles para transporte (etanol y biodiesel) hasta productos químicos de alto valor, incluyendo los que de otra manera se seguirían haciendo a partir del petróleo. Las biorrefinerías han sido identificadas como la ruta más promisoria hacia la creación de una nueva industria basada en la biotecnología. Tras diversos estudios se ha demostrado que es viable transformar la biomasa lignocelulósica en calor, energía, combustibles para transporte e incluso productos químicos. Las dos principales rutas de conversión de la biomasa están basadas en procesos biológicos (enzimáticos) o termoquímicos. Existen numerosos programas de investigación y desarrollo para la mejora de ambas rutas de transformación de la biomasa lignocelulósica.

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Hay un caso en España (Abengoa Bioenergy New Technologies) donde se está construyendo una biorrefinería piloto, capaz de procesar una tonelada/día de residuos agrícolas mediante hidrólisis enzimática, y una planta de demostración a escala comercial, capaz de tratar 70 toneladas/día de biomasa de origen agrícola. En el terreno de los procesos termoquímicos, se han iniciado investigaciones para la síntesis catalítica de etanol a partir del gas de síntesis procedente de la gasificación. En una biorrefinería integrada, a una escala mayor, se puede llevar a cabo la producción conjunta de carburantes, químicos, calor y potencia a partir de biomasa lignocelulósica. La refinería se puede diseñar para poder usar mezclas de materias lignocelulósicas en proporciones variables: planta de maíz, de arroz, paja de trigo, hierba, residuos de madera y otros residuos disponibles localmente. Esto permite una mayor flexibilidad operacional, además de que la planta sea fácilmente replicable en otras áreas geográficas. En la planta de pruebas de Abengoa, la mayoría de la biomasa se utilizará para la fabricación enzimática de etanol, conjuntamente con la producción de la línea de coproducto y de biomasa. La otra parte de la materia de biomasa se empleará en la conversión termoquímica para la producción de gas. El gas producido se usará para crear vapor, para su uso en el proceso y en su momento electricidad, y será de una calidad válida para ampliaciones posteriores para síntesis química. La biorrefinería compartirá emplazamiento con una planta de etanol a partir de almidón. Además, muchas operaciones del proceso y logísticas se compartirán entre ambas instalaciones, y la producción

Figura 50.2. Desarrollo de la biorrefinería.

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de calor y energía de la biorrefinería crearán posibilidades de trasvase de energía hacia la planta de almidón. La integración de varios usos y procesos de biomasa contribuirá al éxito económico del proyecto y del desarrollo de la biorrefinería del futuro. La Figura 50.2 muestra un esquema del desarrollo de la biorrefinería. La interfase de materias primas de biomasa proporciona el suministro necesario de biomasa lignocelulósica de bajo coste a las biorrefinerías que producen combustible, energía y calor, productos químicos y otros materiales. La plataforma de carbohidratos implica la degradación de la biomasa en sus azúcares constituyentes utilizando una gama de procesos químicos y biológicos. El objetivo de la plataforma termoquímica es convertir la biomasa o los subproductos de la biorrefinería en productos intermedios, como los aceites de pirólisis y gas de síntesis o syngas. Estos productos intermedios pueden utilizarse directamente como combustibles o productos o pueden ser refinados para producir combustibles y productos que son intercambiables con productos comerciales existentes, como aceites, gas de síntesis e hidrógeno

de alta pureza. La energía, los azúcares y los productos intermedios de degradación de la lignina se convierten en productos finales en biorrefinerías, que emplean biomasa para producir distintos combustibles, energía y calor, productos químicos y materiales para maximizar el valor de la biomasa. El concepto biorrefinería es análogo al de una refinería de petróleo. La biomasa es fraccionada en componentes que se transforman en productos comerciales de forma separada. En la actualidad, existen biorrefinerías donde se convierten paso a paso las fibras, carbohidratos, lípidos y proteínas de cereales y cultivos azucarados en almidón, azúcares, bioetanol, ácidos inorgánicos, productos químicos y polímeros. Una biorrefinería puede aprovechar la complejidad natural y diferencias de los componentes de la biomasa e intermedios mediante la producción de múltiples productos, y, de este modo, maximizar el valor derivado de la misma. Este objetivo definirá la biorrefinería del futuro, conjugándolo con una baja producción de residuos e integrando el proceso bioquímico y el termoquímico. En la línea de actuación de biorrefineria se está desarrollando en España el Proyecto Singular Es-

Figura 50.3. Aprovechamiento de microalgas mediante un enfoque de biorrefinería (Fuente: LEIA CDT).


tratégico (PSE), en el que participan, como socio tecnológico, la empresa Biotecnología de Microalgas S.L. del grupo Aurantia 2003 S.L., y en el plano científico tecnológico, Acciona Biocombustibles, Confederación Española de Fabricantes de Alimentos Compuestos, Instituto Tecnológico de Cádiz, Universidades de Sevilla, Cádiz, Politécnica de Madrid y el CIEMAT. El proyecto pretende explotar todas las alternativas tecnológicas para abordar de la manera más eficiente posible la producción de microalgas, con la integración de los nutrientes procedentes de la emisión de gases de combustión y de aguas residuales. El enfoque de biorrefinería permite una explotación de los procesos relacionados con la separación de la biomasa y la extracción del aceite para la producción de biodiesel y el aprovechamiento de la biomasa algal, con la obtención de productos de valor añadido y valorización energética. En definitiva constituye una síntesis de muchos de los aspectos comentados en el Capítulo 48 de esta misma Parte VI. En la Figura 50.3 se presenta el esquema de biorrefinería del PSE. Este enfoque integrado de biorrefinería permitirá aprovechar todas las posibilidades de valorización de los cultivos de microalgas, y garantizar la rentabilidad del proceso global, que podría verse comprometido en el caso de enfocarse únicamente hacia la producción de aceite para biodiesel. La duración del proyecto es de cuatro años, de 2008 a 2011. Como puede verse en el diagrama de flujo, se evalúan las posibilidades de aprovechar corrientes residuales, gaseosas y acuosas, como fuentes de nutrientes, optimizando el diseño de los fotobiorreactores para la producción de microalgas, y las técnicas de separación de biomasa y extracción de aceite. También se obtendrán compuestos de alto valor añadido, desde proteínas para alimentación humana o piensos para animales, hasta pigmentos, carotenoides y ácidos grasos poliinsaturados. Para conseguir estos objetivos el PSE se subdivide en siete subproyectos, entre ellos son de particular interés: •

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Selección de estirpes de microalgas. En que debe valorarse la selección de especies de algas a fin de ponderar la productividad de la biomasa frente a la capacidad de producción de biodiesel. Captación y secuestro de CO2 y NOx. Ya que las microalgas necesitan CO2 para su

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•

875 crecimiento, se analiza la biofijación del CO2 procedente de procesos industriales. Incluso, además, los cultivos de microalgas pueden tolerar y metabolizar NOx, SOx, típicos de las emisiones de tráfico urbano e industriales. Los estudios se realizan en una planta piloto diseñada por la fundación LEIA. Aguas residuales, aprovechamiento de nutrientes, depuración. Los cultivos de microalgas también necesitan el aporte de nutrientes minerales, nitrogenados y fosforados, que pueden aportar las aguas residuales... Separación de la biomasa y obtención del aceite. En el que se contemplan las alternativas de centrifugación, floculación y filtración, y en el procesado de la biomasa la deshidratación y ruptura celular. Valorización de los componentes de la biomasa. Aunque el objetivo fundamental es de carácter energético, centrado en la obtención de biodiesel, la rentabilidad económica exige la valorización integral de la biomasa, con un enfoque de biorrefinería, con productos de valor añadido a partir del residuo obtenido tras la extracción del aceite. Por ejemplo, se obtienen piensos de elevado contenido proteico para alimentación animal y acuicultura, compuestos con actividad farmacológica, y compuestos de alto valor añadido para la industria alimentaria (suplementos alimenticios, ácidos grasos poliinsaturados, como los omega-3), farmacia y cosmética. Viabilidad y sostenibilidad. Se pretende asegurar la sostenibilidad global, social y tecnológica, mediante un análisis integral completo, del proceso económico con las implicaciones de necesidad de terrenos, agua, consumos energéticos, etc., para asegurar que el aprovechamiento de microalgas es una opción viable y sostenible.

En Europa las biorrefinerías se está expandiendo rápidamente, principalmente debido a los objetivos políticos que se deben cumplir dentro de los campos de biocarburantes para el transporte y energía renovable.

876


Productividad de la función fotosintética La fotosíntesis es un proceso que permite captar la molécula de CO2 atmosférica y transformarla en azúcares, para lo cual la radiación solar eleva el potencial de los electrones, entregando la energía necesaria para la formación de las moléculas de azúcares y la liberación del O2 presente en el H2O. La naturaleza ha desarrollado unas especies vegetales en los lugares donde las circunstancias climáticas les favorecían. Así, a título orientativo, la Tabla 50.1, muestra la efectividad de algunas especies en relación a su capacidad de obtención del biocarburante. En la Tabla 50.1 se han elegido unos productos que parten de tecnologías bien diferentes, si bien con un objetivo común: •

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Caña de azúcar: a partir de la fermentación alcohólica produce etanol. El balance energético es positivo si la climatología favorece el cultivo. Biomasa lignocelulósica: el proceso parte de la gasificación y ello permite la obtención de carburantes de segunda generación, como el DME, a partir de numerosos materiales residuales.

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Soja: con el prensado de la semilla se obtiene el aceite que después se esterifica para conseguir biodiesel. Se precisa una gran cantidad de terreno y agua. Microalgas: presentan unas claras ventajas, si bien la tecnología presenta, hoy en día, algunas lagunas. No obstante, parece ser la opción de futuro más interesante.

El cultivo en tierra está bastante saturado, ya solo en el tema de la alimentación (además muchos cultivos energéticos son grandes consumidores de agua). Si a este factor se le añade el cultivo de plantas para biocarburantes, la situación amenaza con tornarse crítica, como ya ha comenzado a pasar. Para resaltar la importancia de las algas en el contexto de la biomasa total, vale la pena recordar que: • • •

Las algas no son comestibles. Los océanos cubren el 70% de la superficie de la Tierra. Más del 90% de la biomasa viviente del planeta se encuentra en los océanos.

Como se desprende de la Tabla 50.1, el aumento de productividad oscila entre 15 y 25 veces la de mejor productividad actual.

Tabla 50.1. Efectividad de la función fotosintética. Toneladas MS/ha y año

Litros biocarburante/ha y año

50-100

3.500-7.000

Pino de bosque mediterráneo

20

3.200

Soja

3,1

450

Caña de azúcar

Microalgas (1 ha)

90.000-110.000

Algunos referentes internacionales El grupo canadiense Enerkem ha desarrollado en Westburry (Québec, Canadá) una planta que produce etanol a partir de postes de madera creosotados (residuos) y de los residuos urbanos de la ciudad. El proceso parte de una gasificación. El gas de síntesis se enfría, lava y procesa por medio de un catalizador para obtener el metanol. En una segunda etapa de catálisis se sintetiza el etanol.

El Proyecto Biosynergy, financiado por la Comisión Europea dentro del Sexto Programa Marco y en el que participa Abengoa Bioenergy a través de Abengoa Bioenergy New Technologies, tiene como objetivo global la utilización de la biomasa para procesos de síntesis (combustibles para el transporte, productos químicos) y producción de energía (electricidad, CHP) mediante la aplica-


ción de conceptos de biorrefinería totalmente integrados, utilizando procesos de fraccionamiento y conversión avanzados, y combinando las vías bioquímica y termoquímica. El uso de la biomasa para producir combustibles para el transporte y energía tiene aún que reducir costes de producción. El objetivo del Proyecto Biosynergy es alcanzar un desarrollo avanzado del proceso de producción integrado de productos químicos, biocarburantes para el transporte y energía, de escala de laboratorio a planta piloto. El trabajo se basará en el diseño actual de la planta piloto de biomasa lignocelulósica a bioetanol que Abengoa Bioenergy tiene en York (EE UU). Esta planta se ha tomado como ejemplo específico para convertirla en una biorrefinería altamente eficiente para coproducir bioproductos y combustibles en un mercado competitivo y ambientalmente sostenible. El consorcio Biosynergy está formado por diecisiete socios y tiene un alto nivel industrial de participación: ocho institutos, dos universidades, cuatro SME y tres industrias (Abengoa Bioenergy, Cepsa y DOW). Cada una de ellas es líder de mercado en sus respectivos campos de desarrollo e implementación de tecnología innovadora. El Proyecto Biosynergy cuenta con un presupuesto de 13,4 millones de euros, una subvención de la Comisión Europea de siete millones de euros, y está coordinado por el Centro de Investigación de la Energía de Los Países Bajos (ECN). La producción de cereales (maíz, trigo, cebada, etc.) genera una gran cantidad de residuos agrícolas, principalmente los tallos y las hojas. Una cantidad substancial de estos residuos poco aprovechados se podría recoger y utilizar como materia prima para la producción de etanol sin afectar el equilibrio ecológico. Abengoa Bioenergy I +

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D está desarrollando tecnologías de biorrefinería para convertir una amplia gama de materia de biomasa en etanol, productos químicos y pienso. La materia incluye los residuos agrícolas, los residuos de madera y los potenciales cultivos energéticos como switchgrass y álamo. Este planteamiento permite que las tecnologías de biorrefinería de Abengoa sean extendidas a través de amplias áreas geográficas. Comparado con el proceso tradicional a partir de cereales, la producción del etanol a partir de los residuos agrícolas, específicamente los residuos del maíz y la paja del trigo, requiere un proceso intenso para liberar las estructuras poliméricas de azúcares presentes en la celulosa y en la hemicelulosa, que suponen del 30 al 50% y del 20 al 35% del material de la planta, respectivamente. El proceso de biorrefinería de ABNT fracciona la biomasa en sus componentes más importantes e hidroliza los carbohidratos a azúcares simples para la fermentación del etanol. Esta tecnología tiene las siguientes ventajas: •

•

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La tecnología ha quedado demostrada extensamente a escala de planta piloto y a escala de demostración comercial. Potencial adicional de mejora para ser competitiva con la producción de etanol a partir de almidón. Compatibilidad con el proceso tradicional de producción de etanol a partir de cereal, lo que permitirá alcanzar mejoras y sinergias al integrar la hidrólisis enzimática de la biomasa y la fermentación con la planta de producción de etanol de cereal (por ejemplo, los dos procesos podrían compartir servicios e incluso ciertos equipos de proceso).

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VII CONCLUSIONES. ENERGÍAS RENOVABLES VERSUS CONVENCIONALES

El elevado precio de los combustibles fósiles, unido a la dificultad en su extracción y las restricciones medioambientales existentes, son razones suficientes para apostar definitivamente por las energías renovables. Además de emplear recursos limitados, los sistemas energéticos actuales degradan el medio ambiente. En esta parte se demuestra la posibilidad de sustituir el actual modelo energético por otro formado casi exclusivamente a partir de energías renovables. Debe tenerse en cuenta que estas tecnologías solo están disponibles mientras existe el recurso (por ejemplo, la eólica solo funciona si hay viento), por lo que es necesario aprovechar y desarrollar sistemas de almacenamiento de energía que ayuden a satisfacer la demanda de energía en los periodos pico. Estos sistemas de almacenamiento pueden ser convencionales (depósitos subterráneos de gas natural, hidratos de gas, aire comprimido, etc.) y avanzados (sales fundidas, superconductores, baterías electromagnéticas, etc.) y en el que los automóviles eléctricos deben participar de una forma importante con sus baterías. Es imprescindible abogar e implantar, antes de la introducción masiva de las EE RR, la gestión de la demanda de energía. En los albores del siglo XXI, uno de los límites al desarrollo de las energías de origen renovable es su coste económico. La percepción existente es que su coste, comparado con el de las energías convencionales, es muy elevado. En esta parte se demuestra que el coste de las renovables es menor y que sí es posible un mix de generación de electricidad formado exclusivamente por tecnologías renovables (geotérmica, undimotriz, biomasa, eólica onshore, eólica offshore, termosolar y fotovoltaica), que asegure el 100% de la demanda y a un coste muy inferior.

Índice VII: CONCLUSIONES. ENERGÍAS RENOVABLES VERSUS CONVENCIONALES 51. Posibilidades reales de sustitución del modelo energético actual ................................................881 • Introducción ................................................................882 • Reflexiones para un cambio de modelo energético ....882 • Posibilidades reales de un cambio de modelo energético ....................................................................886 • ¿100% de electricidad con energías renovables?........888 • ¿100% de carburantes con bioenergía y biocarburantes? ...........................................................890 • ¿100% de energía primaria renovable?.......................892 • La visión de la administración frente a las EE RR .....896 52. El almacenamiento de la energía ....................................901 • Introducción ................................................................902 • Formas de intercambiabilidad de la energía ...............902 • Sistemas convencionales de almacenamiento de energía.........................................................................907 • Sistemas avanzados de almacenamiento de energía ...914 53. Costes de generación de la electricidad a partir de energías renovables .........................................................921 • Introducción ................................................................922 • Formación de costes para la generación de electricidad ..................................................................924 • Costes económicos actuales de las energías renovables ...................................................................927 54. Costes económicos de las energías renovables en el horizonte de 2040 ...........................................................947 • Introducción ................................................................947

• Factores para estimar los costes a medio plazo ..........948 • Comparación de los costes de generación mediante diferentes tecnologías en la situación actual y en el horizonte 2040 ............................................................954 55. Costes de generación de electricidad con el nuevo modelo energético ...........................................................955 • Introducción ................................................................955 • Costes de generación de electricidad con el nuevo modelo energético propuesto ......................................956 56. Distribución de la generación de la energía en el nuevo modelo ............................................................................959 • Introducción ................................................................959 • El consumo de energía por comunidades autónomas ...................................................................962 • Optimización del coste de generación ........................964 • El transporte eléctrico en el nuevo modelo. Generación distribuida ................................................965 • Los parques energéticos marinos ................................966 • EE RR para el total de la energía primaria .................967 57. Conclusiones. El modelo energético del futuro ..............969 • Introducción ................................................................969 • Alternativos de los diversos mix de generación ..........972 • Resumen del coste de generación previsto para 2040 ....................................................................972

BIBLIOGRAFÍA. PARTE VII ..............................................974

Posibilidades reales de sustitución del modelo energético actual

51

A PESAR DE LA ENORME PRESIÓN QUE REPRESENTA EL ELEVADO CONSUMO DE ENERGÍA, LA CONTAMINACIÓN QUE PRODUCE Y LA ELEVADA DEPENDENCIA EXTERNA, LAS LEYES, PROYECTOS Y PREVISIONES ACTUALES PARA CORREGIRLO SON MUY POCO AMBICIOSOS • • •

• • • • • • • •

• •

Los hogares europeos han incrementado el consumo de electricidad en un 31% en los últimos quince años. El 54% de la energía utilizada en Europa en 2005 fue importada. En España fue del 75%. Las importaciones energéticas de gas natural y petróleo supusieron, en 2007, 42.600 M€ y las elevadas emisiones de CO2 provocan un gasto adicional de 2.500 M€. Las EE RR, en cambio, contribuyen a reducir estos costes. En el año 2005, las EE RR representaban en la Unión Europea un 6,7% del total de la energía primaria. La experiencia de más de 25 años de plantas termosolares en el desierto de Mojave (California) permitiría el suministro del 50% de la electricidad de Estados Unidos. Igual que sucedió con otras tecnologías hoy consolidadas, las energías renovables también necesitan de financiación pública para garantizar su desarrollo. La modernización de un país pasa por un cambio radical en la forma de desarrollarse, en especial en el campo de la energía. La poca eficiencia energética actual es clamorosa. La Unión Europea se ha fijado, en diez años, conseguir un ahorro equivalente al 11%. El modelo energético propuesto en este libro parte de un aumento del consumo eléctrico de 61,1% en los próximos 30 años (inferior a los registrados en los últimos quince años). El objetivo del nuevo modelo es pasar del 23,3% (2008) al 80,7% (2040) en la generación de electricidad de carácter renovable en la que se incluye la hidráulica convencional. Un modelo energético basado en las EE RR que aporte más del 50% de la energía primaria ha de pasar por el cambio de modelo de transporte, apostar por el uso masivo del coche eléctrico y una generación de la electricidad con EE RR próximas al 100%. El RD 661/2007 referente a la producción de energía eléctrica en régimen especial constituye un primer paso, pero insuficiente, para potenciar las EE RR. El Proyecto de Ley de Eficiencia Energética y Energías Renovables es poco concreto y, en general, no impulsa las EE RR.

882


Introducción Aunque el sector de las energías renovables esté creciendo en Europa, en 2005 solo representaba el 8,6% del consumo final de energía, lejos del objetivo europeo de alcanzar el 20% en 2020. Así lo refleja el Informe de Energía y Medio Ambiente 2008, elaborado por la Agencia Europea de Medio Ambiente (EEA, sus siglas en inglés), que analiza los factores clave sobre la producción y consumo de energía en la Unión Europa (UE). El estudio examina las presiones sobre el medio ambiente y los impactos debidos a la producción y consumo de energía, teniendo en cuenta la seguridad del suministro, la competitividad, el aumento de la eficiencia energética, el uso de energías renovables y el desarrollo ecológico duradero. El informe de Energía y Medio Ambiente 2008 demuestra que los hogares europeos han incrementado el consumo de electricidad en un 31% en los últimos quince años, a pesar del aumento medio del 17% de los precios para los consumidores finales durante este tiempo. A esto debe añadirse el que más del 54% de la energía utilizada en Europa en 2005 fuese importada. Según la EEA, Rusia es el principal exportador de energía a la UE, suministrando el 18,1% del consumo energético primario de la UE-27 en 2005.

Entre las conclusiones positivas, el informe destaca el incremento del uso de energías renovables. En 2005, representaban el 6,7% del total del consumo de energía primaria en la UE, frente al 4,4% de 1990. En este periodo, el consumo final de energías renovables también aumentó, pasando del 6,3% en 1991 al 8,6% en 2005. España, junto a Alemania y Dinamarca, son los países que presentan el crecimiento más importante. De todo ello se deduce que es imprescindible acometer una política decidida de promoción de las EE RR. La Tabla 51.1 muestra, a partir de los datos de 2008, las previsibles cifras para 2020. Como se verá más adelante, es económicamente imposible alcanzar estas metas sin una decidida implantación de las EE RR. Tabla 51.1. Previsiones macroeconómicas para 2020. 2008

2020

142.070

180.700

256

415

Transporte (ktep)

39.926

57.500

Energía primaria (ktep)

104.347

132.900

Energía primaria (ktep) Energía eléctrica (TWh/año)

@%` Desde finales de 2007 la economía mundial ha estado golpeada por el drástico aumento de los precios energéticos (parte de 2008 y 2009 los precios energéticos se han reducido, si bien vuelven a repuntar a finales de 2009). Aunque unos cuantos países exportadores de energía de Oriente Próximo y otras partes han cosechado enormes beneficios, el resto del mundo sufre con la subida del precio del petróleo a más de 110 dólares el barril y con el encarecimiento del coste del carbón. Entre enero y abril de 2009, la demanda de electricidad descendió a 83.682 GWh, cuando en igual periodo de 2008 el consumo era de 92.075 GWh. Los sectores que han acusado mayor descenso son el cementero y el siderúrgico, así como

todo lo relacionado con el sector auxiliar de la construcción. Sin una energía abundante y barata, todos los aspectos de la economía mundial se ven amenazados. Por ejemplo, el precio de los alimentos está sometido a un incremento a la par que el del petróleo (véase en Capítulo 17, la huella exosomática), en parte por el aumento de los costes de producción y la especulación, pero también porque algunos terrenos agrícolas de Estados Unidos y de otros países están dejando de usarse para la producción de alimentos y se emplean para producir biocombustibles. Aunque estos han representado relativamente muy poco sí han provocado un gran efecto especulativo y mediático.


La subida de los precios del petróleo refleja las condiciones básicas de la oferta y la demanda. La economía mundial, especialmente la de China, India y el resto de Asia, crece con rapidez, lo cual ha provocado un aumento drástico de la demanda mundial de energía, principalmente para electricidad y transporte. Pero los suministros mundiales de petróleo, gas natural y carbón no pueden mantener el ritmo de suministro con facilidad, a pesar de los nuevos hallazgos. Y, en muchos lugares, los suministros de petróleo disminuyen a medida que se agotan los pozos. Las reservas de carbón son algo mayores, y pueden convertirse en combustible líquido para el transporte. Pero es un sustituto poco apropiado, en parte por la limitación de las existencias y en parte porque emite grandes cantidades de dióxido de carbono por unidad de energía, y por lo tanto sería un gran productor de CO2. Para que los países en desarrollo sigan disfrutando de un rápido crecimiento económico, y para que los países desarrollados eviten una caída en picado de su economía sería necesario desarrollar nuevas tecnologías energéticas. Deberían perseguirse tres objetivos: • • •

Alternativas baratas a los combustibles fósiles. Mayor ahorro de energía. Reducción de las emisiones de dióxido de carbono.

La tecnología más prometedora a largo plazo es la energía solar. La radiación solar total que llega al planeta es, aproximadamente, 1.000 veces superior al uso energético comercial del mundo. Esto significa que incluso una pequeña parte de la superficie terrestre del planeta, sobre todo las regiones desérticas, que reciben una enorme radiación solar, puede proporcionar electricidad para buena parte del resto del mundo. Por ejemplo, unas centrales solares instaladas en el desierto estadounidense del Mojave podrían cubrir más de la mitad de las necesidades eléctricas del país. Unas centrales solares instaladas en el norte de África podrían suministrar energía a Europa occidental. Y unas centrales solares instaladas en el Sahel africano, justo al sur del inmenso Sahara, podrían aportar energía para buena parte de África occidental, oriental y central.

883

Quizá el avance más prometedor en cuanto a ahorro energético sea la tecnología híbrida conectable a la red para automóviles, capaz de triplicar el ahorro de combustible en los nuevos coches en la próxima década. La idea es que los vehículos funcionen principalmente con baterías recargadas por la noche en la red eléctrica, y lleven un motor híbrido de gasolina de repuesto para la batería. Los gobiernos deberían estar invirtiendo fuertemente en la ciencia básica y aplicada de las EE RR para reducir los elevados costes de las primeras fases de prueba de estas tecnologías prometedoras. Sin una financiación pública, al menos parcial, la aplicación de estas nuevas tecnologías será lenta y desigual. De hecho, la mayoría de las principales tecnologías que ahora se dan por sentadas aviones, ordenadores, Internet y las nuevas medicinas, por nombrar solo unas cuantas– recibieron una crucial financiación pública en las primeras fases de desarrollo y aplicación. Es escandaloso, y preocupante, que la financiación pública siga siendo escasa, porque el éxito de estas tecnologías podría traducirse literalmente en billones de euros de producción económica. Por ejemplo, de acuerdo con los datos más recientes del Organismo Internacional para la Energía, en 2006 el gobierno estadounidense dedicó solo 2.000 millones de euros anuales a la investigación y el desarrollo energético. En dólares ajustados a la inflación, esto representa un descenso del 40% respecto a los primeros años de la década de 1980, y ahora equivale a lo que Estados Unidos gasta en su ejército en solo día y medio. La situación es incluso más deprimente en otras áreas. La financiación pública estadounidense para tecnologías de energías renovables (solar, eólica, geotérmica, oceánica y bioenergía) ascendió a 152 millones de euros, lo que equivale a solo tres horas del gasto en Defensa. El gasto en captura y secuestro del carbono fue de solo 47 millones de euros y el gasto en ahorro energético de todo tipo (edificios, transporte e industria) fue de 224 millones de euros. Naturalmente, el desarrollar nuevas tecnologías energéticas no es solo responsabilidad de Estados Unidos. Hace falta una cooperación mundial en tecnologías energéticas tanto para aumentar la oferta como para garantizar que el uso de la ener-

884


gía sea seguro para el medioambiente, en especial para prevenir el cambio climático causado por el uso de combustibles fósiles. Esto no solo sería una medida económica adecuada, sino también una buena política, dado que podría unir al mundo en el interés común, y no dividirlo en una amarga lucha por las mermadas reservas de petróleo, gas y carbón. En el caso del petróleo, y en general de todos los hidrocarburos, los gobiernos, si bien “creen” que se ha de entrar en otra era en la que vaya reduciéndose el consumo de combustibles fósiles a base de la eficiencia y el ahorro energético, no impulsan de verdad sistemas alternativos. Renunciar total o parcialmente a los impuestos no es tarea que impulse ningún gobierno. En España el impuesto especial y el IVA alcanza el 53,4% sobre la gasolina con un precio de la misma del 33,24% (véase Figura 21.1 del Capítulo 21 de la Parte III), valores similares a la media de UE es: • • • •

Precio gasolina (sin impuestos) ...... 33,8% Impuesto especial de carburantes . 50,54% Impuesto valor añadido (IVA) .......15,56% Precio venta al público.................100,00%

La “tentación” de mantener este impuesto o incluso subirlo, con el actual parque automovilístico, está más que “justificado” en España y en la UE ya que supone decenas de millones de euros a las arca del Estado, cifra nada desdeñable para cualquier gobierno, y difícil de cubrir si desaparece. Sin embargo el Gobierno ha iniciado en 2009 la potenciación del coche eléctrico, con ayudas y fiscalmente.

LA ENERGÍA QUE QUEREMOS Y SU IMPACTO ECONÓMICO Las importaciones energéticas de gas natural y petróleo supusieron, en 2007, 42.600 M€ y las elevadas emisiones de CO2 provocan un gasto adicional de 2.500 M€. Las EE RR, en cambio, contribuyen a reducir estos costes. Algunas grandes generadoras eléctricas han acusado al sector de las renovables del déficit tarifario y todo ello lleva a contrasentidos como la realizada en septiembre de 2009 por Nobuo Tanaka (director ejecutivo de la Agencia Internacional de la Energía), en el sentido de que España debería

dejar de subvencionar la industria del carbón, tan contaminante (textualmente dijo que los subsidios a la producción doméstica de carbón deberían ser reducidos y, eventualmente, eliminados). Simultáneamente el Ministro de Industria español negocia con las compañías eléctricas para ver cómo se puede potenciar el uso de carbón nacional. Paralelamente la Agencia de Medio Ambiente (EEA) ha elaborado un informe en el que se afirma que la energía eólica, tanto terrestre como marina, podría llegar a cubrir la demanda del continente veinte veces, con una producción anual de 70.000 TWh en 2020 y, desde luego, a un coste más interesante. Asimismo el informe mantiene que el objetivo europeo de llegar, con energía eólica, a los 230 GW acumulados en el continente hasta 2020 es mucho más que alcanzable. De manera similar, la Asociación Española de la Industria Fotovoltaica (EPIA), en colaboración con la consultora A.T. Kearney, ha realizado un estudio en el que concluye, por ejemplo, que la energía FV podría suministrar el 12% de la demanda eléctrica de la UE en 2020.

LA REINDUSTRIALIZACIÓN, EL EMPLEO Y LAS EE RR En la década de 1960, la época del desarrollo, todos los economistas predicaban el dogma de que los coches y la vivienda eran la columna vertebral de nuestro bienestar y riqueza. Medio siglo más tarde, en 2009, otros economistas sostienen que si no se gasta en coches y viviendas nuestro desarrollo está amenazado, mientras otros economistas sostienen que el consumismo del modelo actual es el origen de todos los males. Para que el puzzle encaje es posible que deban incluirse otros ingredientes: •

•

Los automóviles han sido, son y serán una fuente de riqueza. No obstante, se debe cambiar el modelo de movilidad, la eficiencia del vehículo y, sobre todo, su fuente de energía. La vivienda también debe concebirse de manera que, en lugar de representar un sumidero de energía, sea un generador de ella (en España se ha desperdiciado una gran oportunidad de demostrarlo en el periodo de 1995 a 2006).

885


El corolario de todo ello parece fácil: es preciso reindustrializar el país a base de fabricar automóviles eléctricos y equipos generadores de electricidad a partir de fuentes renovables. Es decir, cambiar combustibles fósiles por EE RR debe ser un remedio para salir de la crisis a la vez que se crea un modelo industrial nuevo y sostenible. Desde el Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía (IDAE) se parte de la base de que el sector de las EE RR dio empleo, en 2008, a 200.000 personas y generó del orden del 7,5% de la energía primaria del país. De acuerdo con la normativa europea, en 2020, esta cifra debe alcanzar el 20%, lo que representa superar los 500.000 empleos. En el mismo sentido, el Instituto Sindical Trabajo, Ambiente y Salud (ISTAS), prevé que el sector de las EE RR genere más de 270.000 empleos hasta 2020, a ellos habría que sumar los 150.000 que, solo en 2008, se dieron de alta en la Seguridad Social, para llevar a cabo tareas de reciclaje de residuos. Como resumen de todo ello, la Tabla 51.2 muestra la relación entre energía primaria, habitantes y energía primaria por habitante de origen renovable. La Tabla 51.3 muestra el empleo directo proporcionado por las EE RR. La columna correspondiente al total, como es fácil de ver, es superior a la suma de las anteriores ya que no se ha contabilizado el sector de los biocombustibles, el biogás, la geotérmica, etc. Y naturalmente tampoco se tienen

Un automóvil mediano puede costar 12.000 € y durante su vida media (150.000 km en diez años) consumir 12.000 litros de gasolina (toda ella de importación). El gasto total, entre adquisición, consumo de carburante, revisiones y seguros puede sobrepasar los 30.000 €. Un automóvil eléctrico, de similares prestaciones, cuesta actualmente del orden de 40.000 €, y para recorrer los 150.000 km consumirá 25.000 kWh. Si ahora se hace la suposición de que este tipo de vehículo va a ser alimentado por la energía producida por un aerogenerador de 2 MW, que solo funciona el 25% del año, el generador podrá alimentar, cada año, cerca de 950 vehículos de estas características. Si este generador, a precios de 2008, cuesta 1.400.000 €: •

•

•

Vale lo mismo fabricar un generador de 2 MW que 35 automóviles eléctricos, a precios actuales, aunque deberán disminuir. La electricidad producida por este aerogenerador permite hacer funcionar a 950 vehículos de estas características, sin consumir combustibles fósiles. Con el modelo actual: por este importe solo se podrían fabricar 46 automóviles convencionales de explosión y añadir algo más de 600.000 € para el pago de los carburantes.

Tabla 51.2. Habitantes y EE RR en 2007 (Fuente: Source EurObserv’ER 2008). E. primaria ktep

Habitantes

% EE RR

E. primaria ktep

tep/habitante

Alemania

368.872

83.500.000

7,09%

26.153

0,31321

España

164.150

45.200.000

6,94%

11.392

0,25204

Francia

288.587

62.000.000

6,88%

19.855

0,32024

Austria

37.800

9.000.000

23,41%

8.849

0,98322

Polonia

124.700

43.000.000

5,12%

6.385

0,14849

Países Bajos

67.200

16.000.000

2,83%

1.902

0,11888

Tabla 51.3. Empleo en EERR por sectores en 2007 (Fuente Source EurObserv’ER 2008) Eólica

Biomasa

Fotovoltaica

Solar térmica

Alemania

89.700

España

45.000

Francia

7.500

Austria

2.300

Minihidraulica

TOTAL

31.300

41.260

4.590

17.000

12.100

9.400

230.000

2.100

6.600

81.100

23.000

2.110

2.300

3.900

51.000

5.487

1.228

6.500

1.100

20.000

Polonia

405

3.750

600

1.180

n.c.

6.300

Países Bajos

325

4.000

403

250

n.c.

5.000

886


en cuenta los empleos secundarios consecuencia de la actividad principal. Por otra parte, la educación ciudadana y la paulatina implantación de la “gestión de la demanda de energía” podrían crear mucho empleo de elevada cualificación. En una dirección similar, el nuevo presidente de EE UU en su programa energético, se ha marcado recortar un 50% el consumo energético de los nuevos edificios en cinco años y conseguir que los edificios gubernamentales ahorren hasta un 15% de su demanda energética en el horizonte de 2015, además de anunciar un gran fomento en la implantación de las EE RR. Durante la construcción de la última planta termosolar, de 80 MW, en California se generaron hasta 1.000 empleos temporales, necesitando 365.000 díashombre para su montaje. Para la explotación de la planta se prevén 50 empleos permanentes de personal cualificado. A las cifras anteriores deberían añadirse los puestos de trabajo de la industria auxiliar de las diversas fábricas suministradoras (estructuras metálicas, espejos, instrumentación, sistemas hidráulicos, etc.). En EE UU el crecimiento del sector ambiental ha dado lugar al nacimiento de un nuevo concepto:

los green collar workers, es decir, empleados de cuello verde. Andalucía es una de las CC AA de España que más apuesta por las EE RR. A partir de la premisa de que, en 2009, el 20% de la potencia eléctrica procede ya de EE RR, el Plan Andaluz de Energías Renovables 2007-2013 anuncia que: • •

• •

•

Las empresas instaladoras de EE RR han pasado de 250 en 2004 a 1.000 en 2008. Se prevé la creación de 105.000 nuevos puestos de trabajo hasta 2013. El 68% del empleo procederá de la energía eólica y termosolar. La región prevé levantar ocho grandes plantas termosolares antes de 2011. La comunidad cuenta ya con quince instalaciones que producen electricidad (165 MW) a partir de biomasa. En la bahía de Cádiz esta prevista la instalación de una planta de producción de biodiesel a partir de microalgas.

Destacable es la reconversión de la fábrica de Santana Motor, en Linares, donde ahora se fabrican torres de aerogeneradores.

Posibilidades reales de un cambio de modelo energético La energía puede considerarse como el motor del sistema socioeconómico mundial, ya que de ella dependen la mayoría de las actividades que desarrolla la humanidad. Tiene un efecto directo sobre el bienestar social, pero también sobre la productividad de los procesos industriales. El sistema energético actual, que deberá actuar con visión de futuro, tiene en estos momentos diversos problemas a los que enfrentarse, algunos de los cuales podrían encontrar solución a corto o medio plazo: •

• • •

Garantizar la sostenibilidad del modelo energético y minimizar los impactos ambientales asociados. Mejorar la baja eficiencia energética. Excesiva dependencia de otros países para el suministro de combustible. Agotamiento de los recursos energéticos convencionales, dificultad y encarecimiento creciente de su extracción.

• •

Emisiones de gases de efecto invernadero. Retraso en investigación, uso y aprovechamiento de las energías renovables.

La perspectiva energética para el horizonte de 2040 prevé una situación de gran volatilidad y precios elevados del petróleo, por lo que será necesario ir sustituyendo gradualmente los combustibles fósiles, que suministraron el 85% de la energía primaria mundial en 2005, por otras fuentes de energía con menos impactos ambientales que los que presenta el modelo energético actual. En el caso del carbón, se estima que su consumo en España irá disminuyendo en los próximos años, sobre todo a causa de restricciones medioambientales, aunque sigue siendo un combustible muy apreciado en las industrias siderúrgicas y cementeras. Por lo que se refiere a los productos petrolíferos, su consumo también se prevé que vaya decreciendo, sobre todo por las medidas de efi-


ciencia energética que se tomarán en el sector del transporte, y la paulatina sustitución de las gasolinas y gasóleos de automoción por biocarburantes (alguno de los cuales permite el uso de las pilas de combustible). De todo ello se desprende que no será posible cubrir de forma indefinida la demanda energética basada en el modelo actual. En la Tabla 51.4 se puede observar la potencia eléctrica instalada en España a finales del año 2007, que se situó en 90.157 MW (la potencia instalada varía según la fuente consultada). Tabla 51.4. Potencia instalada en España a finales de 2007. (Fuente: Cámaras de Comercio). Potencia Hidráulica convencional

MW

%

17.008

18,9

Nuclear

7.728

8,6

Carbón

11.829

13,1

Fuel /gas natural

9.571

10,6

Ciclo combinado

19.825

22,0

320

0,4

Gasificación carbón ciclo combinado Total régimen ordinario

66.281

73,5

Eólica

13.786

15,3

Resto Régimen Especial Total régimen especial TOTAL

10.090 23.876 90.157

11,2 26,5 100,0

La potencia instalada en Régimen Especial (23.876 MW) se distribuyó, a finales de 2007, de acuerdo a los datos facilitados en la Tabla 51.5. La energía eólica representó, a finales de 2007, más del 50% de la potencia instalada en Régimen Especial, seguida de la cogeneración con gas natural (21,7%). Tabla 51.5. Potencia instalada en España en Régimen Especial a finales de 2007. (Fuente: Cámaras de Comercio). Potencia MW

%

Hidráulica (< 10 MW)

1.901

8,0

Carbón (cogeneración)

130

0,6

Gas natural (cogeneración)

5.183

21,7

Fuel oil/gas oil

1.456

6,1

Eólica

13.786

57,7

797

3,3

623 23.876

2,6 100,0

RSU y biomasa Fotovoltaica TOTAL

887

Por todos estos motivos resulta necesario plantearse un cambio en el patrón energético existente, comenzando por aplicar políticas que fomenten el ahorro y la eficiencia energética y llevar a cabo una apuesta clara y decidida a favor de las energías renovables que permitan minimizar los principales frentes conflictivos: dependencia energética exterior, emisiones de gases de efecto invernadero y descentralización del sistema energético actual. Y todo ello sin olvidar que el acceso a la energía debe entenderse también como un derecho de los ciudadanos. Así pues, es necesario garantizar el suministro energético en cuanto a cantidad y calidad se refiere, y a un precio asequible; además, es inevitable que la generación de energía tenga un impacto ambiental asumible. Cada vez resulta más evidente que la modernización de un país pasa necesariamente por un cambio radical en la forma de desarrollarse, para ser más sostenible y asegurar a las futuras generaciones las mismas oportunidades que las que se disponen en la actualidad. La economía tiene que hacer emerger y madurar nuevos modelos de producción y generación de riqueza, asumiendo que los recursos energéticos son limitados y que es necesario preservar los sistemas naturales para prevenir su degradación. Es preciso apostar por políticas económicas de consumo y de producción industrial que sirvan para orientar el rumbo de la economía global, y en particular de la española, en línea con otros países de la Unión Europea. Sin embargo, y ante el propósito de modificar el sistema energético presente, ¿qué posibilidades reales de sustitución existen? Cuando se habla de energías renovables se plantean diversos interrogantes. Concretamente, y pensando a corto y medio plazo en cuanto a la reducción de la emisión de gases contaminantes, ¿se puede plantear la generación del 100% de la energía eléctrica a partir de, exclusivamente, energías renovables? Y referido al sector del transporte, ¿sería factible la sustitución de todos los carburantes actuales por biocarburantes y una parte de ellos con tracción eléctrica? En cuanto al primer interrogante, España importa actualmente el 75% de la energía primaria mientras que la media de los países de la Unión Europea se encuentra alrededor del 50%. En el caso particular de Cataluña, el Plan de la Energía

888


(2006-2015) contempla como uno de sus principales objetivos incrementar el uso de las energías renovables desde el 7,9% actual hasta el 9,1%, potenciando la energía solar, la eólica onshore y el aprovechamiento de la biomasa, sobre todo en la modalidad de hibridación. A juzgar por las cifras anteriormente expuestas, se puede considerar que este no es un reto excesivamente ambicioso, por lo que no parece que los gobiernos estén dando el impulso necesario para potenciar el desarrollo de las energías renovables. Este mismo plan, en cambio, sí que concentra esfuerzos en materia de ahorro y eficiencia energética. El objetivo es alcanzar en un horizonte de diez años un ahorro final equivalente al 11%. También concentra esfuerzos en la disminución de los gases

de efecto invernadero para ajustarse a los objetivos propuestos en el Protocolo de Kyoto. Además, apunta hacia la necesidad de crear programas de I+D+i para desarrollar aplicaciones tecnológicas mediante el uso del hidrógeno, energía fotovoltaica y combustibles renovables (biomasa), pero sin destinar fondos suficientes. Llegados a este punto, la cuestión es si, al margen de la implicación que puedan tener las instituciones públicas, en realidad se está técnicamente preparado para asumir la generación total de energía eléctrica a partir de energías renovables. El objetivo de este libro es demostrar que es posible la sustitución del modelo energético actual por uno basado casi exclusivamente en el desarrollo de tecnologías renovables.

¿100% de electricidad con energías renovables? La Tabla 51.6 muestra la energía eléctrica consumida en España en 2007 y la previsión en 2040 justificado por el aumento del consumo específico así como por el incremento de población, como ya fue expuesto en la Parte V de este libro. Ello representa un aumento de la energía consumida del 61,1%, en 33 años, con una tasa de crecimiento anual, del 1,9% lineal, equivalente a 1,46% acumulada, muy inferior a la registrada durante los últimos veinte años. En la Tabla 51.6, en el apartado de Renovables se incluye una parte, minoritaria, de cogeneración. Las previsiones del PER (Plan de Energías Renovables 2005/2010) prevé la generación de 100 TWh/año (100.000.000 MWh/año) a partir de EE

RR, que nadie pone en tela de juicio, y se calcula que será fácil doblar (200 TWh/año) en 2030. Una extrapolación a 2040 equivale a 250 MWh/año, y que con el modelo postulado en esta obra, como muestra la Tabla 51.6, apunta a 310,9 TWh/año, por tanto no lejos de las previsiones oficiales. En teoría, y según se demostró en la Parte V de esta obra, con cada una de las energías renovables se podría casi abastecer la demanda española. No obstante, si bien es técnicamente factible, la producción de energía eléctrica a partir de energías renovables resulta imprescindible elegir correctamente un mix de generación, ya que, por ejemplo, el rendimiento de la tecnología termosolar es superior en verano que en invierno, de la misma forma que acontece

Tabla 51.6. Consumo de energía eléctrica en España en 2007 y previsión en 2040. Tipo de generación

2007

%

2040

%

Carbón + FO

71.269.470

Ciclo combinado GN

62.030.835

27,0%

-

0,0%

23,5%

35.578.479

8,4%

Nuclear

46.721.097


22.331.101

17,7%

46.457.136

10,9%

8,5%

32.000.000

7,5%

Renovables

61.502.913

23,3%

310.915.552

73,2%

TOTAL generación MWh/año

263.855.416

100,0%

424.951.167

100,0%

Años contemplados Incremento de la energía MWh

33 161.095.751

Porcentaje de incremento

61,1%

Aumento lineal anual

1,9%

OBJETIVO de 2040: Renovables mas hidráulica convencional 80,7%

889


con la fotovoltaica. Del mismo modo, la tecnología eólica es mucho más eficiente en los periodos de otoño e invierno que durante la temporada estival. Para ello se postula, en el nuevo modelo, una serie de modificaciones en el sistema propuesto, de manera que permita disponer de las tecnologías renovables funcionando en modo de regulación, de forma que en cualquier momento el mix sea capaz de suministrar eficazmente la energía eléctrica solicitada. Una vez más hay que insistir en que, para que la paulatina implantación de un modelo donde las EE RR sean mayoritarias, hay que llevar a cabo un cambio en el sistema actual y caminar hacia la “gestión de la demanda”. En el momento actual, y para tratar de amortizar su inversión económica lo más rápidamente posible, la forma de trabajar de las energías renovables es totalmente opuesta a la que se propone, ya que en el momento presente se pretende ofrecer la máxima capacidad de generación de acuerdo a la potencia instalada; es decir, el objetivo es intentar obtener el máximo rendimiento posible de cada una de las centrales. La Tabla 51.7 muestra este mix. Esta tabla parte de la anterior y distribuye las energías renovables de manera que pasen del 23,3% actual al 73,2% previsto. La tabla arranca en 2010, donde se supone que ya existirá una mínima estructura eólica marina y energía procedente de las olas. De todas formas, las tecnologías renovables son más adecuadas que las convencionales para trabajar en modo de regulación, ya que se adaptan mejor, y más rápidamente, a los cambios de potencia requeridos. Otro cambio necesario sería en la estructura de generación de electricidad, ya que actualmente se dis-

pone de grandes centrales que ofrecen la mayor parte de la energía demandada. La idea del mix propuesto sería el de contar con una diversidad de tecnologías distribuidas a lo largo de la geografía para dar servicio incluso en los momentos de mayor demanda. Lógicamente, sería conveniente que esta propuesta de generación eléctrica a partir de tecnologías renovables fuese igualmente aplicable en todos los países de la Unión Europea, con integración de los diversos sistemas energéticos. También debe preverse la adaptación del actual sistema de transporte eléctrico. En el actual modelo energético, generar energía térmica de baja temperatura (por ejemplo, ACS) a partir de electricidad implica desaprovechar energía, ya que la calidad de la energía eléctrica es elevada para cubrir este tipo de demanda. En cambio, con un mix de generación de energías renovables, es precisamente la electricidad el mejor tipo de energía para satisfacer la demanda de calefacción y ACS, ya que de otra forma se estaría desaprovechando una energía excedentaria. Dicho en otras palabras, el mix eléctrico propuesto conduciría, además, a un proceso de optimización en la producción de la energía. Un modelo energético como el que se propone tiene un coste de inversión inicial elevado, por lo que en primer lugar es necesario llevarlo a cabo de forma secuencial, además de establecer un mix de generación que ofrezca una cobertura suficiente a un bajo coste económico de producción de electricidad. Es muy importante analizar todas las tecnologías renovables disponibles, para obtener de todas ellas el máximo rendimiento posible. Por esta razón, es fundamental un buen estudio a priori, ya que el rendimiento de las tecnologías renovables puede variar sustancialmente a lo largo del año.

Tabla 51.7. Mix de energías renovables previsto en 2010 y 2040.

2010

%

2040

%

% Incremento


32.000.000

33,3%

32.000.000

9,3%

0,0%

Mini hidráulica

6.756.810

7,0%

9.954.628

2,9%

32,1%

Eólica en tierra

26.409.467

27,5%

114.504.060

33,4%

76,9%

Eólica en mar

2.000.000

2,1%

51.001.825

14,9%

96,1%

Termosolar

1.747.615

1,8%

75.005.231

21,9%

97,7%

Fotovoltaica

5.146.038

5,4%

5.629.904

1,6%

8,6%

Olas

1.000.000

1,0%

13.267.678

3,9%

92,5%

Biomasa y residuos

8.607.424

9,0%

20.292.449

5,9%

57,6%


12.448.738

13,0%

21.259.776

6,2%

41,4%

}_ |*@&

96.116.092

100,0%

342.915.552

100,0%

890


¿100% de carburantes con bioenergía y biocarburantes? Los gobiernos actuales están apostando por potenciar el transporte público frente al privado, y por una reconversión de los parques automovilísticos, promocionando la compra de vehículos eléctricos, de bajo consumo o que no utilicen combustibles fósiles. Una posible alternativa es el empleo de biodiesel y bioetanol como combustible. Desde la década de 1980 ni Estados Unidos ni la UE han incrementado la capacidad de refino de petróleo. Ello no obedece a razones de hallar lugares para su ubicación, evitar protestas ambientales o simplemente problemas burocráticos, sino a que en la época de precios bajos y gran oferta de crudo, las grandes petroleras han preferido invertir en otros campos que produzcan mayor rentabilidad a sus beneficios. Esta misma carencia ha coincidido por el interés de buscar los carburantes “bio”. Una de las ventajas de este tipo de combustible radica precisamente en su origen, ya que proviene de biomasa que ha retenido el CO2 que podría haberse liberado a la atmósfera. Por esta razón, el empleo de los biocarburantes como combustibles no implica un aumento neto del CO2 atmosférico, de modo que su uso en lugar de los combustibles fósiles contribuye a minimizar la generación de gases de efecto invernadero. Además, estos biocombustibles no emiten dióxido de azufre ni partículas, ni tampoco hidrocarburos aromáticos policíclicos ni compuestos orgánicos volátiles. La solución al problema del transporte, ya que la mayoría de la energía primaria se emplea en este sector, ha de coincidir con: •

•

Transporte energéticamente más eficiente. En el caso del transporte por carretera, el mayor consumidor de carburantes, el modelo ha de ser la promoción de coches híbridos y eléctricos (ya sea de baterías o por medio de pilas de combustible). Fuente de aprovisionamiento de los carburantes. Como alternativa a los petrocarburantes, por orden de importancia debería considerarse, como se ha expuesto en la Parte VI, la producción de biodiesel y bioalcohol a partir de microalgas, de materia-

les y residuos lignocelulósicos (carburantes de segunda generación), cultivos para alcoholes (básicamente caña de azúcar, semillas de colza, jatrofa, girasol, etc.) y biogases. Los biocombustibles obtenidos de las algas constituyen una alternativa económicamente viable, debido a los cuestionamientos que se le vienen dando a los biocombustibles obtenidos de plantas terrestres. Los biocombustibles más comunes son el biogás, el bioetanol y el biodiesel, los mismos también pueden obtenerse mediante el procesamiento de las algas. El alcohol etílico o etanol se puede obtener a partir de la fermentación de los carbohidratos de la biomasa de las algas. Estos carbohidratos están combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa en diferentes proporciones. Las algas crecen gracias al proceso de fotosíntesis, en el que la luz del sol, el dióxido de carbono de la atmósfera, el agua y los nutrientes disueltos forman moléculas orgánicas complejas como el azúcar, los hidratos de carbono y la celulosa. Las microalgas constituyen una de las alternativas más atractivas entre los microorganismos por varias razones: •

•

•

En contraste a la mayoría de las bacterias y el total de los hongos y levaduras, las microalgas, por su capacidad fotosintética, pueden alcanzar grandes rendimientos solamente con energía solar adecuada y una fuente de carbono como el CO2 o bicarbonatos, además de nutrientes de fácil disponibilidad. Algunas especies están también en condiciones de crecer sobre sustratos orgánicos, en presencia o ausencia de luz. La capacidad de estos microorganismos de poder crecer en ambientes diferentes y adversos a muchos otros organismos vegetales, se debe a la variedad excepcional de lípidos y de otros compuestos inusuales, que están en condiciones de sintetizar. Entre los distintos grupos de organismos fotosintéticos, las microalgas resultan ser uno de los más eficientes en utilizar la energía


•

•

• •

•

•

•

•

solar. Por lo general, organismos superiores presentan una eficiencia fotosintética alrededor del 2%, pero la mayoría, menos. Las microalgas, gracias a su simplicidad estructural, tienen una eficacia fotosintética claramente superior, y según las condiciones ambientales y de cultivo, pueden alcanzar hasta 4-8%. Así, por ejemplo, se tienen estimaciones de productividades tan altas como 60-80 toneladas de peso seco/ hectárea y año, en contraste con cultivos convencionales, que producen del orden de 10-30 t/año. Esta característica las hace extremadamente productivas. Las microalgas son convertidores mucho más eficientes de la energía solar que cualquier planta terrestre conocida, porque crecen en la suspensión donde tienen el acceso ilimitado al agua y captan de forma más eficiente el CO2 y los nutrientes. En general, los cultivos en gran escala son simples y baratos. De importancia particular es que las microalgas pueden cultivarse todo el año, y ser cosechadas continuamente. Pueden crecer en tierras marginales en las regiones áridas del mundo, en ambientes salinos e hipersalinos de baja calidad o en aguas residuales cargadas de nutrientes, que no son buenas para la irrigación agrícola o el consumo para los seres humanos o los animales, y los cultivos de esa manera no compiten con la agricultura tradicional por cantidad o calidad de suelos. Los cultivos algales también tienen un consumo de agua más bajo que la requerida por los cultivos tradicionales. Si uno considera que el agua usada se puede utilizar luego para la irrigación, los cultivos algales son aún más ventajosos. Las microalgas crecen al igual que las bacterias, es decir, de manera exponencial. Es un crecimiento muy rápido, ningún vegetal terrestre presenta un crecimiento de ese tipo. Las plantas necesitan un tiempo más prolongado. Por ser organismos unicelulares, su biomasa entera posee los productos de interés, a

891

diferencia de las plantas superiores en las que los subproductos recuperables se encuentran en sitios u órganos específicos, lo que dificulta su extracción. La gasificación, ya comentada en capítulos anteriores, es un proceso termoquímico de combustión con defecto de oxígeno que da lugar a un gas de síntesis que contiene, entre otros, CO y H2. El proceso de obtención de alcoholes a partir de la gasificación de productos celulósicos (o bien residuos) con vistas a fabricar biocarburantes abre grandes esperanzas ya que permite fomentar el cultivo de plantas de rápido crecimiento. En España, a finales de 2008, la capacidad de producción de biodiesel era de 3.290.328 toneladas al año, aunque las ventas fueron de 82.185 toneladas en el primer semestre, según se ha comentado en el Capitulo 45 de la Parte VI. La glicerina es uno de los principales subproductos procedentes de la fabricación de biodiesel. La gasificación también permite la conversión de este subproducto en metanol que puede usarse, de nuevo, para la fabricación del biodiesel, aspecto comentado en el Capítulo 24 de la Parte III. Otro biocombustible muy importante es el bioetanol, que se puede obtener a partir de compuestos de almidón (maíz, trigo, cebada, patata, etc.) y de compuestos azucarados, como la caña de azúcar o la remolacha. El producto final se puede utilizar directamente o mezclado con las gasolinas como elemento oxigenador. Los subproductos de la fabricación del bioetanol dependen de la materia prima utilizada: tallos, bagazo, pulpa, etc. La caña de azúcar es la materia prima más rentable para producir bioetanol en estos momentos, ya que puede aprovecharse directamente o a través de la melaza obtenida como subproducto de la industria azucarera. España tiene una gran capacidad de producción, 456.000 toneladas/año a finales de 2008. Mundialmente la producción de biodiesel y de bioetanol ha aumentado mucho a partir de 2000, pero se ha estancado a partir de 2007, como se observa en las Figuras 45.1 y 45.2 del Capítulo 45 de la Parte VI. Un parámetro significativo a tener en cuenta es la tasa de retorno energético, es decir, la relación existente entre la energía útil obtenida y la energía necesaria para poner en marcha el proceso.

892


Un sistema con un retorno energético superior a la unidad es rentable energéticamente, mientras que aquellos sistemas con tasas de retorno inferiores a la unidad pueden considerarse como no rentables energéticamente, es decir, actúan como sumideros de energía. En este sentido, tanto el biodiesel como el bioetanol tienen tasas de retorno energético mayores que 1. La del bioetanol es de prácticamente 8, mientras que la del biodiesel es superior a 6. Cuando, además de cuantificar la energía se valoran otros parámetros, como la pérdida de biodiversidad o el elevado y no sostenible consumo de agua (como en el caso del maíz), los parámetros empleados empeoran rápidamente. El coste de la producción de los biocarburantes depende significativamente del precio de las materias primas. Este es, seguramente, el principal inconveniente que se ha encontrado la industria de los biocarburantes.

A escala mundial y de acuerdo con las previsiones de la AIE, la demanda mundial de petróleo, en 2030, será de 120 mb/d, aproximadamente casi el doble de 2005. El problema es que, en función de los conocimientos actuales, se habrá alcanzado la máxima capacidad de extracción. En resumen, para contemplar un modelo energético, en 2040, que pueda sustituir el petróleo, debería: •

•

•

Mejorar mucho la eficiencia energética en los medios de transporte y el propio modelo de transporte. Apostar por los nuevos carburantes de segunda generación y los procedentes de las microalgas. Potenciar los vehículos híbridos, los equipados con pilas de combustible y, sobre todo, los eléctricos.

¿100% energía primaria renovable? Sin paliativos, la respuesta a esta pregunta en el horizonte del 2040 para España es claramente un no. Realmente es el gran objetivo energético de cualquier país y que, para conseguirlo deberá compaginarse con el almacenamiento y el intercambio de las diversas energías renovables junto a la interconexión entre distintas regiones. Incluso Greenpeace, en una publicación de noviembre del 2008, a escala mundial para 2050 indica, sin demasiados argumentos y en una valoración optimista, que la demanda de energía primaria sería cubierta en un 56% por EE RR. Para cuantificar que implica la anterior pregunta, en España, deben valorarse las Figuras 2.15, 2.16 y sobre todo las 2.17 y 18.6 en las que se indican el consumo de energía primaria y final de España entre 1973 y 2006 y los balances en 2006 y 2008. En este último año, las energía renovables solo alcanzaban el 7,3%, mientras que las energías de combustibles fósiles representaban el 82% de la energía primaria consumida, o lo que es lo mismo 116,74 Mtep de los 142,47 Mtep del total de energía primaria. En esta línea hay que recordar que el Consejo Europeo de marzo de 2007 reafirmó el compromiso de la Comunidad con el desarrollo de la energía

procedente de fuentes renovables, a escala de la Unión, más allá de 2010. Aprobó el objetivo obligatorio de alcanzar una cuota del 20% de energía procedente de fuentes renovables en el consumo total de energía de la UE en 2020. En el caso de España deberá obtener el 20% de su energía total, no solo de la electricidad, de manera obligatoria mediante energías renovables. Esto significa que la electricidad de origen renovable debería alcanzar alrededor del 40% del total. Para prever la energía primaria necesaria en 2040 se debe valorar la evolución del consumo de energía final de los distintos sectores, transporte, edificación y servicios e industrial y luego evaluar la necesidad de energía primaria que ello comporta. El consumo del sector del transporte fue valorado en el Capítulo 25, en especial en la Tabla 25.11 o incluso en la 25.12, donde se indicaba que este sector necesitaría una energía final de 43,62 Mtep, de los que 33,09 Mtep correspondían a combustibles derivados del petróleo, que podrían reducirse a 24,64 Mtep si se utilizaban una mayor cantidad de biocombustibles y se realizaba una electrificación de una mayor cantidad de automóviles según las hipótesis expuestas en el Capítulo


25. Esta cantidad de petrocombustible, implicaba una energía primaria, en petróleo importado incluyendo pérdidas en el proceso, de alrededor de 35 Mtep. Pero además se indicaba que eran necesarios 3,98 Mtep de energía eléctrica consumida por los coches híbridos y eléctricos, que debería ser producida por EE RR. Sin embargo según la propuesta de la Tabla 51.6 la electricidad se produciría en el 2040 con una pequeña proporción de centrales no renovables, el 8,4% en ciclo combinado, que si a su vez se considera que tienen un rendimiento del 50%, exigiría aproximadamente 1,1 Mtep de GN de energía primaria. Además queda la aportación de la energía nuclear con el 10,8% en la generación de electricidad y que con un rendimiento del 40%, deberá consumir un total de 1,7 Mtep de origen nuclear. En esta valoración no se ha tenido en cuenta la necesidad de energías no renovables precisas para producir los 6,53 Mtep de biocombustibles que se proponen en la Tabla 25.11 sobre el transporte de 2040. Por tanto el sector del transporte consumiría, como mínimo, una energía primaria no renovable de casi 38 Mtep. En un caso extremo, con todos los automóviles eléctricos la situación coincide con la que ya están promoviendo algunas ciudades de Suecia y Holanda. Sin embargo, con la visión actual, camiones, aviones y barcos no pueden integrar esta solución y la alternativa de la utilización masiva de biocombustibles no parece ser factible en este plazo, incluso con una explotación intensiva de microalgas. El sector residencial y de servicios, en 2008 consumió del orden de 28,1 Mtep de energía final, repartido entre 11,9 Mtep de electricidad, 9,4 Mtep de combustibles petrolíferos, 4 Mteps de GN, 0,5 Mtep de carbón y 2,2 Mtep procedentes de EE RR. A su vez la generación de electricidad tenía un rendimiento global del 40,9%, que era alimentada por una energía primaria mayoritariamente de GN con 17,5 Mtep y nuclear con 15,4 Mtep, además de carbón… y de unos 10,4 Mtep de EE RR, datos que pueden cotejarse en la Figura 18.6. A titulo de ejercicio se supone un crecimiento del consumo final de este sector entre 2008 y 2040 muy moderado, un 23%, casi equivalente al crecimiento de la población, por lo que la mejora-aumento percibido por el usuario vendría de las mejoras de eficiencia. En esta valoración se considera por una parte

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el incremento acumulativo del 0,571% anual de la población, con un total de un 23% en el citado periodo, y que el previsible incremento de consumo vendrá compensado en gran parte por la mejora en la eficiencia en la producción y consumo de energía que puede estimarse próximo a un 35%. Este mismo valor de mejora de la eficiencia se ha estimado en muchos casos del sector del transporte y por otro lado el 20% debería alcanzarse ya en el 2020. En estas condiciones, la necesidad de energía primaria en 2040 alcanzaría los 45 Mtep. Sin embargo si bien en 2008, las necesidades energéticas mostraban, aproximadamente, una proporción del 60% térmicas y un 40% eléctricas, véase por ejemplo la Figura 26.6, en el 2040 esta proporción se invertiría o incluso podría evolucionar más. Esta última propuesta es consecuencia de: a) el mejor aislamiento de las viviendas, b) la irrupción de las EE RR en los edificios, que cubrirán en gran parte las necesidades térmicas y frigoríficas de los edificios, con placas solares, equipos geotérmicos, biomasa, biocombustibles, etc., y c) por el creciente incremento de electrodomésticos, domótica y aparatos eléctricos en los edificios. La electricidad consumida, siguiendo los mismos argumentos expuestos para el sector del transporte, implicarían el consumo de 3,3 Mtep de GN y 5,4 Mtep de origen nuclear. En cuanto al consumo de productos petrolíferos se estima que habrá una importante reducción, pasando de los 9,3 Mtep del 2008 (representaba el 33,5% del consumo energético del sector), a unos presumibles 3,4 Mtep de energía final (equivalentes al 10% del sector) y que representan, aproximadamente, 3,6 Mtep de energía primaria. El consumo de GN en cambio se propone una leve reducción en valor absoluto, en línea de algunas previsiones que prevé el combustible fósil de más consumo, pasando de 4 Mtep (equivalente al 14,4% del sector en 2008) a 3,4 Mtep (equivalente al 10% en 2040). Por tanto, presumiblemente, el total de energía primaria no renovable en el sector de la edificación y los servicios alcanzaría en el 2040 los 15,7 Mtep, de los que 10,3 Mtep serían de origen fósil. La vía a seguir para disminuir el consumo de combustibles no renovables debe ser la que se está siguiendo, tímidamente, actualmente. Por una parte, evidentemente con la disminución

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del consumo de energía de los propios edificios, y por otra en el empleo masivo de las EE RR y la electricidad, de origen renovable, pues ambos pueden resolver la mayoría de las necesidades de este sector. En el sector industrial el consumo de energía final en 2008 alcanzaba los 36,3 Mtep, con un gran consumo, y en crecimiento, de GN, 13,2 Mtep, seguido de cerca de productos petrolíferos con 11,3 Mtep y 8,5 Mtep eléctricos, poco carbón, 1,6 Mtep y poca energía procedente de las EE RR, 1,8 Mtep. Toda esta información puede cotejarse en la Figura 18.6. La evolución de este sector en España hasta el 2040 es muy complejo y exigiría un estudio que esta más allá de los objetivos de este libro. Sin embargo, se pueden ponderar diversos aspectos. Así hay muchos procesos que en este momento están desarrollados con la utilización de combustibles de alta densidad energética, como el gas natural o el petróleo, de los que algunos pueden evolucionar y emplear otros combustibles, procedentes de residuos y biomasa, mientras que otros no. El sector de la construcción bajará y con ello el sector cementero y del vidrio. El reciclaje de todo tipo de productos, teniendo en cuenta el ciclo de vida, que junto a la aparición de nuevos y muy variados materiales, cambiará paulatinamente la siderurgia. La industria de maquinaria para generación, conversión y almacenamiento de energía tendrá un peso varias veces superior al actual. La evolución de la generación de la electricidad por EE RR hará viable que algunos procesos térmicos utilicen la electricidad, situación impensable actualmente. En definitiva el sector industrial, habitualmente cambiante y competitivo, ante la escasez y encarecimiento de los combustibles tradicionales realizará un giro en los hábitos actuales de consumo que exige un importante estudio y su ponderación energética. Muchas empresas en los pasados decenios han realizado importantes mejoras de proceso, disminuyendo drásticamente las pérdidas de producción por mejoras de calidad y control del proceso, y con ello arrastraban indirectamente la mejora del consumo energético. Ha llegado el momento, ante una energía cada vez más cara, que muchas empresas deberán acometer la mejora de los procesos desde el punto de vista puramente energético.

A igual que se ha realizado en el sector de la edificación, se propone un crecimiento del sector industrial, entre 2008 y 2040, muy moderado, de solo un 23%, pues en gran parte los aumentos de producción vendrán compensados por la mejor eficiencia energética, por el cambio a productos menos intensivos en energía y el aprovechamiento energético de los residuos y/o su reciclaje. Dentro estos cambios de hábitos se propone que de 2008 a 2040 el consumo de petróleo pase del 31% al 15%, el GN del 36% al 32%, la electricidad del 23% al 28% y los cambios más drásticos acontecerían en EE RR del 5% al 24% y en el carbón, que dejaría de utilizarse en la industria. Con todos estos cambios la energía primaria no renovable se calcula que alcanzaría los 27 Mtep, de los que 23,6 serían de productos fósiles. El resultado de estas propuestas en los tres sectores daría lugar a una energía no renovable primaria en España en 2040 de 80 Mtep que representaría aproximadamente el 56% de la energía primaria consumida, y de ellos unos 69,6 Mtep, el 48% del total, sería de combustibles fósiles. Estas últimas cifras deben compararse con las expuestas al principio de este apartado, en particular los 116,74 Mtep de combustibles fósiles consumidos en energía primaria en 2008. Por tanto, con todas las propuestas indicadas, que implicarían grandes esfuerzos e inversiones, y considerar un moderado crecimiento junto a una gran mejora en eficiencia, se lograría reducir la importación y consumo de combustibles fósiles en 40,4%. Finalmente hay que indicar que el sector del transporte se llevaría el 51% del consumo de los productos petrolíferos de energía primaria (34,1 Mtep de los 69,6 Mtep) y, por tanto, cualquier política que acelere la electrificación del automóvil, lo que es factible, convergerá de una forma importante en la reducción del consumo e importación de los combustibles fósiles. Por ultimo hacer una matización, con el modelo-propuesta evaluado, la energía primaria en el 2040 no sería mucho mayor que la de 2008, como ya está sucediendo estos últimos años a pesar del espectacular crecimiento de la población, especialmente debido a la inmigración, pero si crecería alrededor de un 20 a un 25% la energía final consumida, debido a que la mayoría de EE RR tienen una tasa de conversión muy favorable en comparación de la ineficiente de los combustibles fósiles.


Con los cálculos realizados anteriormente se puede empezar a ponderar los problemas y dificultades para alcanzar el 100% de energía primaria renovable. Sin embargo, aún no se ha dado respuesta a si es realmente posible que en un futuro una región o un país pueda funcionar con el 100% con energías renovables. La respuesta a esta pregunta implica previamente una respuesta afirmativa de si toda la generación de energía eléctrica puede proceder de las EE RR. Como ya se ha indicado, la demanda eléctrica actual tiene una importante variabilidad. Esto provoca que el sistema español tenga una capacidad de generación muy superior a la que en promedio sería necesaria, siendo capaz de cubrir cualquier punta de máxima demanda, por lo que en horas valle existen muchas instalaciones de generación paradas. Así la generación con fuelóleo tuvo en 2008 un coeficiente de funcionamiento de solo el 6,7%, situación que se repite, en parte, en las modernas y eficientes centrales de ciclo combinado, que tuvieron un promedio de funcionamiento de solo el 50,9% del tiempo posible. Ante esta situación de demanda variable la oferta de los sistemas de generación con EE RR presentan el agravante de su aleatoriedad en su funcionamiento y generación de electricidad: las eólicas según la intensidad del viento, las solares y fotovoltaicas en función de sí es de día o de noche, invierno o verano, nublado o no etc., y que pone en duda la posibilidad de la generación eléctrica al 100% con EE RR. Como se ha comentado en anteriores capítulos están en vías de solución los problemas de inestabilidad en la red con las EE RR. Llegar a esta situación con un elevado tanto por cien de generación con EE RR será factible y no debe llevar a ninguna complejidad en un futuro, aunque si resulta importante un mix de generación para la diversificación y costes. Resaltar que en 2009 las EE RR llegaron durante una hora a producir el 50% de la electricidad demandada. Sin embargo con la creciente instalación de EE RR estos records irán creciendo, pudiendo llegar a momentos punta en que casi toda la energía eléctrica sea producida por las EE RR. Se indica casi toda, ya que en España la energía eléctrica procedente de las nucleares es prácticamente fija, constante y de difícil variación, alcanzando estas instalaciones

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en 2008 un funcionamiento del 91,5% del tiempo posible y el complementario 8,5% en parada, según el informe de REE. El panorama resulta más complejo cuando se quiere llegar a niveles de un 70% al 100% de EE RR en la generación eléctrica. En esta tesitura resultaría especialmente grave la situación contraria, la falta de suministro debido a la aleatoriedad del funcionamiento de las EE RR. Para paliarlo se están implantando los sistemas de acumulación en base a sales en las centrales solares, o la hibridación con sistemas de cogeneración en diversos tipos de centrales de EE RR, eólicas, termoeléctricas y fotovoltaicas, lo que permite su mejor gestión. Sin embargo en esta situación, en la que necesariamente habrá una mayor y gran diversidad de tipos de centrales y en lugares muy distantes, puede aportar, al final, que el cubrimiento de la demanda de energía eléctrica sea un problema de funcionamiento según un cálculo estadístico de las condiciones metereológicas de donde están situadas las centrales. Dentro de esta problemática habrá que tener en cuenta múltiples factores y diversos sistemas posibles de almacenamiento de energía. A título de ejemplo, las reservas de energía hidráulica en el año 2007, año de gran sequía, según REE, el mínimo producible se dio el 31 de diciembre con unas reservas totales equivalentes a 5,63 TWh, es decir, que con el parque hidroeléctrico las centrales hidroeléctricas españolas podrían haber generado a toda potencia durante más de 14 días consecutivos. Por tanto, para asegurar el 100% de generación con EE RR obligaría a que existieran instalaciones de EE RR que podrían o deberían estar paradas cierto tiempo, a igual como ocurre hoy día con algunas centrales convencionales, pero que en cambio no se considera admisible actualmente en las EERR. La gestión de la generación con el 100% de EE RR no es fácil, y para no incurrir en excesivas instalaciones y paros en algunas de ellas se deberá realizar un adecuado mix de generación y complementar con sistemas de acumulación de energía como los que se analizarán en el siguiente Capítulo 52, entre los que destacan las centrales hidráulicas reversibles u otros, electroquímicos y electroestáticos, con la más que posible necesidad de que existan estos sistemas de acumulación de electricidad en los edificios, situación se-

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mejante a la que ha existido durante muchos años con el agua, en la que era necesario en los mismos los depósitos de agua. También, para equilibrar la oferta y la demanda, aparte de que se prevé que el usuario final intervenga en su gestión, deberá jugar un papel muy importante la interconexión entre distintas áreas de producción basándose en una producción distribuida de la electricidad que originarían las múltiples centrales de EE RR de menor potencia que las actuales centrales convencionales. Esta interconexión se debería extender a las distintas regiones e incluso distintos países, situación que España no tiene actualmente bien resuelta. Recordar que los coches eléctricos con su recarga nocturna pueden ayudar a suavizar el bajo consumo en las horas valle y además suministrar parte de su energía en las horas punta, si es necesario, tal como se ha comentado del sistema V2G en el Capítulo 22. Mucho se ha escrito, y resulta un mito, que las EE RR para producir electricidad son insuficientes, caras y tecnológicamente inmaduras, pero cada día que pasa estos aspectos se ven rebatidos por el creciente y variado tipo de instalaciones, cada vez más competitivas en eficiencia y coste, y lo mismo sucede con los necesarios sistemas de almacenamiento de energía, catalogados de ineficientes y caros, y aunque hoy día se sitúan un paso atrás, es de preveer que con el desarrollo del automóvil eléctrico realizarán un gran avance en pocos años. Cada día se ve más factible un futuro con generación eléctrica exclusivamente con EE RR, aunque mucho más allá del 2050. Otro aspecto importante es hasta que cantidad o parte de la energía final

podría cubrir esta energía eléctrica de origen renovable. Teóricamente la electricidad podría cubrir totalmente las necesidades del sector de la edificación y servicios, en la industria muchos procesos que actualmente utilizan el GN y derivados del petróleo podrán pasar a utilizar la electricidad, por ser renovable, y también permitiría la electrificación masiva del automóvil y del transporte ligero de mercancías. Incluso en procesos industriales que, por ejemplo, requieren altas temperaturas y otros con elevados consumos térmicos, en los que hoy día es preferible utilizar GN, en última instancia también podrían llevarse a cabo con electricidad si las circunstancias lo requirieran, como, por ejemplo, ocurre en el funcionamiento de un horno cerámico. Sin embargo, como se ha comentado anteriormente, con la visión actual, las EE RR no son capaces de completar al 100% el sector del transporte, en especial la aviación y las mercancías terrestres y marinas de largo recorrido. Pero cuando se intente utilizar la electricidad para todo, el problema se convierte en económico, más que técnico, ya que por ejemplo si las EE RR de producción eléctrica tuvieran que producir el 60% de toda la energía final consumida, situándonos en los valores manejados en 2040 para comprender la magnitud del problema, se requeriría una capacidad de producción de energía eléctrica con EE RR alrededor de dos veces y media de la propuesta para este año. Por tanto, los biocombustibles, la biomasa y la conversión energética de los residuos también tendrán necesariamente un peso muy importante, habitualmente en procesos térmicos, para acercarse a dar respuesta al 100% de energía primaria con las EE RR.

La visión de la administración frente a las EE RR El estado español ha recibido numerosas acusaciones de la UE por no mejorar la intensidad de su consumo energético. Por fin, el Gobierno puso en marcha el primer Plan de Ahorro y Eficiencia Energética 2005-2008, que ha obtenido buenos resultados. En 2004 se consumían 200 tep por millón de euros producidos y gracias a este Plan se ha empezado a reducir, con ello se ha iniciado un segundo Plan 2008-2012 para ahorrar un 10% de las importaciones de petróleo.

El Ministerio de Industria, Comercio y Turismo diseña sucesivos planes de eficiencia para lograr una intensidad energética, en 2016, de 156 tep/M€. Por otra parte, su ejecución es imprescindible para cumplir con los compromisos de Kyoto. Nuestro parque automovilístico es de los más viejos de Europa y el transporte debería reducir en un 38% el consumo de energía primaria. Otro 17% de ahorro deberá provenir de los edificios. Un capítulo que difícilmente se cumpli-


rá, habida cuenta de la oportunidad perdida en la construcción llevada a cabo entre 1995 y 2006 y a la actual crisis económica. Doce millones de edificios deberían abordar obras de aislamiento térmico y sistemas domóticos. A la falta de conciencia de constructores y ciudadanos se suma la descoordinación de las administraciones. Los suministradores de energía también podrían contribuir con la instalación de redes inteligentes, como ya acontece en Australia o California. El objetivo final es que, en 2020, la demanda de energía primaria descienda un 21%, o sea, se necesite un 21% menos de energía para obtener la misma unidad de PIB. En los siguientes apartados se expondrán las líneas generales del RD 661 que establece las primas a la generación de electricidad en régimen especial y del Proyecto de Ley de Eficiencia Energética y Energías Renovables.

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EL REAL DECRETO 661/2007 En mayo de 2007, el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio promulgó el RD 661/2007, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. En la exposición de motivos se hace referencia a la eficiencia energética en la generación de electricidad y la utilización de fuentes de energía renovables. El eje director del RD 661 mantiene un sistema análogo al contemplado en el RD 436/2004, en el que el titular de la instalación puede optar por vender su energía a una tarifa regulada, única para todos los periodos de programación (normalmente quince años, con el incremento del IPC anual), o bien vender dicha energía directamente en el mercado diario, en el mercado a plazo o a través de un contrato bilateral, percibiendo en este caso el precio negociado en el mercado más una prima. El Régimen Especial, en España, acoge a todos aquellos pequeños productores de energía que teóricamente requieren ayuda con respecto al denominado régimen ordinario. Desde la óptica técnica este RD 661 es un poco confuso ya que mezcla constantemente el origen del combustible con la tecnología que se emplea para generar electricidad. El RD 661 establece tres categorías de generadores: •

Grupo a: entiende por tal las cogeneraciones definidas como eficientes, es decir, que de-

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ben aprovechar la energía térmica producida. El Subgrupo a.1.1 la componen las cogeneraciones que utilicen el gas natural como combustible. El subgrupo a.1.2 cogeneraciones que utilicen otros combustibles fósiles. Subgrupo a.1.3 cogeneraciones que utilicen, como combustible principal, la biomasa y/o el biogás. Desde el punto de vista de la sostenibilidad, es el único grupo interesante. El grupo a.2 hace referencia a la generación eléctrica a partir de energías residuales. Grupo b: en él se distinguen ocho subgrupos. Grupo b.1: Instalaciones que utilicen la energía solar (b.1.1: fotovoltaica y b.1.2: termosolar). Grupo b.2: Instalaciones que usen la energía eólica (b.2.1: eólica terrestre y b.2.2 eólica marina). Grupo b.3: Instalaciones que únicamente utilicen la energía geotérmica, de las olas, de las mareas, la océano-térmica y la energía de las corrientes marinas. Grupo b.4: Centrales hidroeléctricas cuya potencia instalada sea inferior a 10 MW. Grupo b.5: Centrales hidroeléctricas cuya potencia instalada sea superior a 10 MW pero inferior a 50 MW. Grupo b.6: Centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de cultivos energéticos, residuos agrícolas o forestales. Grupo b.7: Centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de estiércoles o biogases. Grupo b.8: Centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de instalaciones industriales (donde solo se especifica el licor negro de las papeleras). Grupo c: en él se distinguen cuatro subgrupos. Grupo c.1: Centrales que utilicen como combustible principal los residuos sólidos urbanos. El grupo c.2 acoge a todos los demás residuos. Los grupos c.3 y c.4 se refieren a mezclas.

Desde el punto de vista de la clasificación deberían hacerse muchas mejoras, como: •

El Grupo b.3 es un auténtico cajón de sastre: ¿Cómo se va a equiparar, en términos de primas (véase tabla 3 del citado RD 661) la energía geotérmica con la de las corrientes marinas o las mareas?

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El Grupo b.5, la hidroeléctrica de potencia superior a 10 MW, no está considerada como una energía renovable (claro que tampoco lo son las cogeneraciones llevadas a cabo con combustibles fósiles: grupo a.1 y a.2). El grupo b.7 engloba estiércoles y biogases. Si bien otorga primas diferentes, no parece lógico mezclar en un mismo grupo a biomasas que han de ser tratadas con tecnologías de conversión energética diferentes. El grupo b.8, que se refiere a los residuos industriales, solo hace mención explícita a los licores negros (a los que dedica un subgrupo especial) y margina a todos los demás.

Por lo que atañe a la biomasa, dejando a un margen los cultivos energéticos, todas las demás retribuciones son claramente insuficientes, puesto que precisan de una inversión elevada, un mantenimiento importante y las potencias instaladas, que en la práctica no pueden ser muy importantes por razones de logística, lo que invalida el desarrollo de estas opciones. A título de conclusión: •

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Da la impresión de que, a excepción del b.8.3, todo este apartado se podía haber incluido en el b.6. Sin embargo, el RD 661 hace una curiosa excepción ya que dice, textualmente, que no se considerará biomasa, a efectos del RD 661: • • • •

Las maderas tratadas químicamente durante procesos industriales de producción. Maderas mezcladas con productos químicos de origen inorgánico. Los papeles y cartones. Los textiles.

Se puede argumentar que, con el fin de promover la recogida selectiva, se segreguen los papeles, cartones o textiles. No obstante, el problema ambiental relacionado con este tipo de residuos radica en que se trata de materias contaminadas que no se pueden valorizar materialmente y al ser excluidos del RD se condena a estos residuos al vertedero. Un ejemplo claro de ello, y en referencia a la industria papelera, son los fangos del turbopulper, que están constituidos básicamente por papeles y plásticos. Desde el punto de vista de la cuantía de las primas, el RD 661 también sorprende en algunos aspectos. De todas las categorías de residuos (biomasa) existentes, los RSU y los procedentes de la cría del ganado (estiércoles) son de los que se generan en mayor cantidad y por tradición se recogen y son relativamente fáciles de seleccionar. Obsérvese que ello, además, corresponde a las categorías de residuos peor retribuidas (b.7.3 y c.1).

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El RD 661 es un principio para el reconocimiento de las EE RR si bien necesita unas claras mejoras. Es obvio que los precios de la electricidad tienen unos costes muy diferentes según la técnica que se utilice para producirla. De acuerdo con la legislación actual, el precio de referencia de la electricidad en cada franja horaria es la que corresponde a la técnica más cara. Dicho de otra forma: la técnica más cara es la que fija el precio de las demás. Por este motivo los generadores de EE RR que se rigen por el RD 661 se acogen a la tarifa regulada (fija). Con el modelo actual, para la satisfacción de la demanda eléctrica española es preciso que funcionen la mayor parte de las centrales eléctricas que consumen combustibles fósiles, que son las más caras de todas, cuando se deberían fomentar las EE RR. Por otro lado, esto también favorece a las centrales nucleares, cuyos costes de producción son los mas bajos de todos. Así, tanto las centrales hidroeléctricas, totalmente amortizadas, como las nucleares perciben unos enormes beneficios por unos ingresos notablemente más altos que sus costes de producción. Se deberían mejorar las primas asignadas a la biomasa, en particular las de la biomasa forestal.

PROYECTO DE LEY DE EFICIENCIA ENERGÉTICA Y ENERGÍAS RENOVABLES El presente borrador de Ley, 11 de febrero de 2009, tiene por objeto el fomento, el ahorro, la eficiencia energética y la promoción de la energía procedentes de fuentes renovables, como medio necesario para el desarrollo económico sostenible, la reducción de las emisiones de gases de efec-


to invernadero y la seguridad del abastecimiento energético. En líneas generales el borrador de Ley pasa revista a los sectores que más inciden en el consumo de energía y los enmarca dentro de los objetivos generales que proceden de la UE, pero no incide de manera importante ni novedosa en ninguno de ellos. El Artículo 3 hace referencia a las EE RR. En él se dice que el Gobierno tomará las decisiones necesarias para asegurar que la participación de las EE RR en la energía primaria del país sea del 10,9% en 2012, 13,78% en 2016 y del 20% en 2020. En cuanto a los objetivos anuales de biocarburantes, los objetivos son del 5,83% en 2010 y del 10,0% en 2020. El Artículo 4 se refiere a la contribución del ahorro y eficiencia energética para lograr el objetivo general de reducción de energía primaria del 20% en 2020. Sin embargo, y para sorpresa general, “deja pendientes de cálculo los objetivos”. En el Articulo 7 se mencionan toda una batería de estímulos: incentivos económicos, financieros, acuerdos voluntarios, incentivos de I+D+i, reglamentaciones técnicas, campañas de información, etc. Los Artículos 12 al 16 están destinados a la consecución del ahorro y la eficiencia en la industria, con la incorporación de las mejoras técnicas disponibles, auditorías energéticas, fijación de estándares de eficiencia energética y la obligatoriedad de la incorporación de sistemas de gestión y certificación energética. Del Artículo 17 al 20 se lleva a cabo un desarrollo similar al anterior conjunto de artículos pero referidos al transporte, donde se insiste mucho en la eficiencia de los sistemas de transporte y el cambio modal, lo cual sí es una novedad en este tipo de leyes. Los Artículos 21 al 28 están destinados a las políticas de ahorro energético a partir de la ordenación del territorio y la vivienda. Relacionado con ello, la sección quinta, Artículos 29 al 30 inciden en el alumbrado exterior. El Capítulo 3 de la Ley está destinado al sector transformador de energía. Los Artículos 31 al 35 van dirigidos a la cogeneración que le asigna una aportación en la reducción de la energía primaria del 10% en 2020, hablándose indistintamente que ello se llevará a cabo a partir de combustibles convencionales o renovables (para que ello sea así de-

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berá incentivarse más el empleo de estos últimos: no es lo mismo cogenerar a partir de gas natural que de un gas de síntesis procedente de la gasificación de residuos). El Capítulo se completa con los Artículos 36 al 37 referidos al sector del refino y el transporte y distribución de la energía eléctrica que, a pesar de su importancia, solo les destina un artículo a cada uno y no incluye los objetivos. Los artículos referidos al desarrollo y promoción de las EE RR arrancan en el Artículo 38. Sin embargo, en el siguiente artículo señala que el Gobierno elaborará un Plan de Energías Renovables 2011-2020. Cuesta comprender cómo no se aprovecha esta misma Ley (puesto que el título lo cita), ya tardía, y se difiere el desarrollo y promoción de las EE RR a otra futura ley. No obstante, se apuntan factores esperanzadores, como: la utilidad pública de las EE RR, la cesión de terrenos de titularidad pública o el uso de agua para instalaciones de EE RR. También se destinan unos artículos a la biomasa forestal o a la residual, sin garantizar el abastecimiento. A partir del Artículo 61 la nueva Ley incide tímidamente en la problemática de la generación de electricidad a partir de EE RR. Así, en el Artículo 63 el Gobierno se compromete a establecer mecanismos para garantizar la conexión a las redes eléctricas de los nuevos generadores. En el Artículo 64 habla del fomento de la gestión de la demanda. El nuevo decreto ha irritado a la APPA (Asociación de Productores de Energías Renovables) ya que han sido acusados de ser los causantes del déficit tarifario (las primas para la implantación de las EE RR suponen una pequeña parte del coste de generación de la electricidad). Además, según este colectivo, el Gobierno no sigue una política de promoción de las EE RR coherente. En general, se trata de un borrador de ley muy extenso, 109 artículos, que toca los principales aspectos sin introducir novedades dignas de mención, a excepción de la supresión del límite de 50 MW para las instalaciones de generación en régimen especial. También es esperanzador el nuevo trato fiscal a determinados biocarburantes. Así se modifica la Ley de Impuestos Especiales y se aplicará un impuesto cero a los biocarburantes de segunda generación de naturaleza lignocelulósica y algas, hasta el 1 de enero de 2019.

El almacencamiento de la energía

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EL ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ES UNO DE LOS PROBLEMAS MÁS IMPORTANTES Y AÚN NO RESUELTO • • • •

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La energía se puede manifestar de diferentes formas, siendo intercambiables entre ellas. Utilizar la energía significa transformar una forma de ella en otra disponible. El rendimiento energético representa la relación entre la energía útil y la energía de entrada, y siempre es inferior al 100%. El factor de demanda es la relación existente entre la demanda máxima de la instalación y la carga total conectada en un instante de tiempo determinado. El almacenamiento de energía comprende todas las técnicas ingeniadas para conservar la energía en cualquier forma y liberarla cuando sea necesario. Pueden ser convencionales o avanzados. Un sistema convencional de almacenamiento de energía son los depósitos subterráneos de gas natural, consistente en inyectar el gas en los periodos de menor demanda para emplearla cuando se necesita. De esta forma se modula la relación entre la oferta y la demanda, y se evitan fluctuaciones del precio del combustible. En 2007, el consumo español de gas natural fue de 3,91 × 104 Nm3, mientras que la capacidad de almacenamiento es de 3.536 Nm3, lo que supone una capacidad de suministro instantáneo de 33 días. Los hidratos de gas son los mayores almacenes naturales de metano, superando, en reservas, todos los combustibles fósiles juntos. Una posibilidad de recuperar los hidratos de gas sería el de inyectar CO2 en los depósitos, intercambiando un gas por otro, a la vez que se evitaría la presencia de GEI en la atmósfera. Otro método de almacenamiento de energía es el CAES, consistente en acumular la energía en forma de aire comprimido para emplearla durante los periodos de mayor demanda. Una central hidroeléctrica reversible aumenta la energía potencial del agua, conduciéndola hasta un embalse situado en alto. Tiene capacidad para bombear o turbinar el agua entre el embalse superior y el inferior. Entre las formas avanzadas de almacenar energía destacan las sales fundidas, los superconductores o las baterías electromecánicas. Los superconductores, al carecer de resistencia eléctrica, permiten la circulación indefinida de corriente eléctrica, pudiendo aprovecharse cuando se necesita.

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En cuanto a la eficiencia energética, los mejores sistemas son los superconductores y las baterías electromecánicas, con eficacias próximas al 95%; las baterías tienen un rendimiento del 85%, mientras que el del aire comprimido es prácticamente de un 70%.

Introducción La energía forma parte de todos los ciclos de la vida y es un elemento prácticamente esencial para todas las actividades industriales y comerciales. Por esta razón, todos los usuarios necesitan disponer de un marco energético estable, que minimice las variaciones e incertidumbres del suministro de energía en un horizonte que compatibilice las decisiones estratégicas. La complejidad de los sistemas energéticos obliga a diseñar políticas correctas y, sobre

todo, con visión de futuro. Si la capacidad de generación o las redes de transporte y distribución son insuficientes, o si los mecanismos de coordinación no son adecuados, se pueden producir desde caídas de tensión hasta interrupciones en el suministro. La energía es un concepto que se relaciona con varios procesos, como quemar combustibles o propulsar máquinas. Científicamente, la energía se define como la capacidad de realizar un trabajo.

Formas de intercambiabilidad de la energía Existen diferentes fuentes de energía, las cuales pueden clasificarse en dos grupos: •

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Fuentes renovables. No se agotan por su uso, como es el caso de la energía del viento y la solar. El agua y la biomasa también se incluyen en esta categoría, aunque se consideran renovables bajo la condición de que la fuente se maneje de forma apropiada; por ejemplo, las cuencas hidrológicas y plantaciones de árboles. Fuentes no renovables. Están disponibles en cantidades limitadas y se agotan por su uso, como los combustibles fósiles: carbón mineral, petróleo y gas natural. Estas fuentes tienen la característica de que, una vez han sido utilizadas para la generación de energía, no se pueden volver a emplear.

La energía es una propiedad o característica de un sistema que puede variar modificando su situación o estado, o la de otros sistemas sobre los que actúa. Es decir, un sistema tiene una determinada energía, en Física se dice que es una función de estado. Existen dos conceptos fundamentales relacionados con la energía: la capacidad para realizar un trabajo y que no puede crearse ni destruirse sino que se transforma, conceptos que se han comentado en la Parte I de esta obra.

La energía que tiene un sistema se puede manifestar entregando energía en forma de calor o trabajo (estas dos son energías en tránsito o transferencia) a otros sistemas mediante energía: mecánica, nuclear, radiante, eléctrica, química, térmica, potencial, etc., siendo transformables unas en otras, como por ejemplo en el péndulo, la energía mecánica cinética se puede transformar en potencial y viceversa: •

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Energía cinética. Es la que posee un objeto como consecuencia de su movimiento como, por ejemplo, el agua de un río. La velocidad y la masa del objeto determinan, en gran parte, la cantidad de su energía cinética. Por esta razón, cuanto más rápido fluye el agua, más energía posee y por tanto está disponible. Energía potencial. Corresponde a la que posee el objeto en virtud de su posición con respecto a la tierra u otro sistema de referencia. Esta forma está almacenada y se convierte en energía cinética cuando el objeto se mueve. Por ejemplo, el agua en un embalse tiene energía potencial, por lo que cuanto más alta sea la presa, más energía potencial contiene el agua.

Lo anteriormente dicho puede observarse en la Figura 52.1, donde se representa la energía ciné-

El almacenamiento de la energía

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Figura 52.1. Valores de la energía cinética y potencial en función de la posición del péndulo. En la posición [A], donde la altura es máxima y el cuerpo no ha empezado a moverse, la energía cinética es nula mientras que la potencial es máxima. En la posición [B], donde la altura es cero y la velocidad es máxima, la energía cinética es máxima mientras que la potencial es nula.

tica (Ec) y la potencial (Ep) en un péndulo. En la posición A, donde la altura es máxima y el cuerpo no ha empezado a moverse, la energía cinética es nula, ya que la velocidad es cero, mientras que la potencial es máxima. En cambio, en el punto B, donde la altura es mínima y la velocidad es máxima, la energía cinética es máxima mientras que la potencial para este péndulo es cero. En otras palabras, la energía cinética es la energía en movimiento, es decir, la que posee un cuerpo a causa de su velocidad, como la del agua al caer por una cascada, la del aire en movimiento, etc. La energía potencial viene determinada por la posición que posee un cuerpo. Según la posición y movimiento, se intercambian la energía potencial con la cinética, siendo su suma siempre el mismo valor, de tal manera que la energía mecánica total del péndulo se mantiene constante. Las formas más usuales de energía son: •

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Energía térmica (calor). Es una forma de energía cinética causada por el movimiento de los átomos o las moléculas en un material, ya sea sólido, líquido o gaseoso. Su cantidad viene determinada por la temperatura del material: cuanto mayor sea la temperatura, más energía estará disponible. Por ejemplo, durante la combustión de cualquier material combustible se genera calor. Energía química. Corresponde a la almace-

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nada en los átomos y en las moléculas de un cuerpo en función de su composición y enlaces químicos; por ejemplo, en materiales combustibles y baterías (acumuladores). Energía eléctrica. Más conocida como electricidad. Es el flujo de los electrones en un material conductor, como acontece en un cable eléctrico. Energía electromagnética (radiación). Corresponde a la que todos los objetos emiten en diferentes cantidades. La luz es una forma visible de radiación. Energía mecánica. Es la que posee un cuerpo en función de su posición y su movimiento de traslación y/o rotación. Como en el ejemplo del péndulo, comentado anteriormente, o en la rotación de una turbina hidráulica propulsada por agua.

En el lenguaje habitual se emplea el término “utilizar” o “aprovechar” la energía de un combustible, de una batería, del viento…, lo que significa que el sistema cede energía o bien se trata de una transformación de una forma de energía en otra disponible. Por ejemplo, al aprovechar la fuerza del viento se convierte la energía cinética del viento en mecánica de rotación en el rotor del aeromotor, la cual, luego se puede convertir en eléctrica en el generador. Finalmente esta se convierte en iluminación en una lámpara, convirtiéndose la eléctrica en

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Figura 52.2. Esquema del funcionamiento de una central hidroeléctrica. El agua almacenada tiene una energía potencial que se transforma en cinética al abrirse las compuertas. Al caer se acciona una turbina que transmite su movimiento al rotor del generador, produciendo electricidad (Fuente: elaboración propia).

electromagnética o radiante. También se utiliza el término, “generar” energía, que significa convertir una forma de ella en otra; por ejemplo, transformar la energía cinética del agua en movimiento en energía mecánica en un sistema hidráulico y turbina, y finalmente se “genera” energía eléctrica en el generador, Figura 52.2. Es interesante comentar que los términos “utilizar” y “generar” energía no son científicamente correctos, porque, como ya se ha comentado anteriormente, la energía no se crea ni se destruye. Sí puede transformarse desde cualquier forma a otra, pero estrictamente no se consume, y su cantidad total se mantiene constante en cualquier proceso. También un sistema puede disminuir su energía a base de entregar energía en forma de calor y/o trabajo a otro sistema que va a aumentar en la misma cantidad su contenido de energía, conservándose el contenido de energía total entre los dos sistemas. El concepto importante y nuevo es que en una situación real, en cualquier cambio sí se pierde capacidad de “aprovechar” la energía. Estos dos aspectos, por una parte en la constancia y conservación de la energía, que se basa en el Primer Principio de la Termodinámica, y por otra,

el de la pérdida de la capacidad de aprovechar la energía o de su calidad en cada transformación, que se fundamenta en el Segundo Principio de la Termodinámica, en el que se indica que la energía se degrada en cada cambio o transferencia. Así, en términos estrictamente prácticos, sí se consume la energía, en el sentido de que, desafortunadamente, puede convertirse en una forma que ya no se puede aprovechar. Por ejemplo, cuando se quema biomasa, la energía química contenida en la madera se convierte en energía térmica, es decir, en calor que inicialmente puede aprovecharse en parte, pero luego se dispersa en el ambiente y no se puede reutilizar nuevamente. Otro ejemplo válido sería el del proceso de combustión de carbón, en el que la cantidad de energía inicial que poseía se ha transformando en su combustión en otras: energía útil, emisión de gases calientes, generación de escorias, etc. La cantidad de energía resultante es la misma, aunque no está “concentrada” y no se puede aprovechar, ya que ha aumentado la entropía. La biomasa forestal constituye un buen ejemplo de acumulación de energía gracias a la fotosíntesis. Al liberar la energía de la biomasa mediante un sistema de conversión energética, una

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parte se transforma en calor útil, ya que el calor sensible de los gases de combustión se transfiere a una caldera, y otra en calor residual, puesto que las pérdidas del sistema se disipan calentando momentáneamente la atmósfera, que finalmente cederá parte de la energía recibida al exterior para restablecer de este modo el equilibrio. En otra línea totalmente distinta de los aspectos físico-químicos comentados están los aspectos de las transacciones comerciales de la energía, donde también se habla de la “utilización” de energía, empleándose expresiones como: •

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Oferta de energía. Se requiere de ella para diversas aplicaciones: iluminación, cocción, procesos industriales, transporte, etc. La oferta energética puede ser diferente de un lugar a otro, dependiendo de las condiciones locales, como el clima y las costumbres, y según los diferentes tipos de usuarios (viviendas, industrias, transporte, etc.). Se puede satisfacer una necesidad específica de energía con diferentes fuentes e, igualmente, no todas las necesidades se pueden satisfacer por la falta de fuentes o de presupuesto. Demanda de energía. Corresponde a la necesidad de aquellas fuentes que puedan satisfacer los requisitos energéticos. Depende de diferentes factores, como población, nivel de desarrollo económico, disponibilidad de tecnología, etc. De todas formas debe indicarse que no siempre se puede satisfacer la demanda de energía. Consumo de energía. Es la utilización real de la fuente de energía. También se denomina “demanda expresada”.

Evidentemente la oferta, demanda o consumo pueden ser a cualquier escala, doméstica, industrial, sectorial, nacional…

RENDIMIENTOS DE CONVERSIONES ENERGÉTICAS En todas las transformaciones energéticas se pierde una parte de ella debido a su conversión parcial en una forma que no se puede aprovechar, generalmente calor. La fracción de la energía utilizable (trabajo), como resultado de un proceso de

conversión, se llama eficiencia del proceso, la cual, generalmente, se representa como un porcentaje. Es decir, la eficacia o rendimiento energético representa la relación existente entre la energía útil y la energía de entrada. En todo sistema, la energía que se consigue es siempre menor que la inicial, obteniéndose un tipo de energía no deseada (energía no útil), tal y como se muestra en la siguiente expresión: energía de entrada (Et) = energía útil (Eu) + energía no útil (Enu)

Por esta razón, la eficiencia energética de cualquier sistema es siempre inferior al 100%:

Siendo K la eficiencia energética, Eu la energía útil y Et la energía de entrada. El trabajo útil también se conoce como exergía. La eficiencia energética es muy útil para determinar flujos energéticos y comparar distintos procesos entre sí. Por ejemplo, entre los sistemas empleados para la transformación de energía, los rendimientos oscilan entre el 10%, en el caso de un motor de explosión, y el 90% de un motor eléctrico. El conocimiento de estos valores permite un uso óptimo de las distintas fuentes energéticas. La Tabla 52.1 muestra las eficiencias medias correspondientes a distintos sistemas de transformación energética. Se puede observar que en los procesos donde existe una transformación de energía calorífica a energía eléctrica o mecánica la eficiencia de conversión es menor, debido al cumplimiento del Teorema de Carnot, visto en el Capítulo1. Tabla 52.1. Eficiencia energética de distintos sistemas de transformación de energía. (Fuente: Elias X. Tratamiento y Valorización Energética de Residuos). Proceso energético Motor de combustión de un automóvil Conversión fotovoltaica de una célula solar cristalina Cocina doméstica de combustión lenta de leña Central térmica generadora de electricidad Central nuclear generadora de electricidad Turbina de ciclo combinado de gas natural Calentador eléctrico de agua Mmotor de cogeneración Turbina hidroeléctrica para la generación de electricidad Motor eléctrico

? (%) 10-20 15-20 30 35-40 35-40 51-54 80 85 85-90 90-95

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Otro término a desarrollar es el de calidad de la energía, que viene a referirse a la facilidad de conversión en otras formas energéticas. Las que tienen una mayor calidad son aquellas que provienen de las formas más organizadas, como la energía potencial gravitatoria o la energía eléctrica. Convertir estas en otras formas energéticas proporciona una alta eficiencia, o lo que es lo mismo, un pequeño porcentaje de energía no útil. La energía nuclear también tiene una alta eficacia, aunque inferior que las anteriores. Además, conviene indicar que la transformación de las energías de alta calidad a baja calidad es más fácil que la conversión inversa. Es importante destacar que si se presta mucha atención a la eficiencia energética pero no a su calidad, puede malgastarse energía. Por ejemplo, utilizar energía eléctrica, que puede considerarse de elevada calidad, para calentar agua doméstica, no es hacer un uso eficiente de la energía, ya que un calentador de agua tiene un elevado rendimiento (80%), pero no la central que genera la electricidad (aproximadamente un 40%), es decir, en eficacia global sería del 32%. En este caso sería más adecuado emplear, por ejemplo, colectores solares. En definitiva, y llegados a este punto, lo que se quiere recalcar es que, en la medida que ello sea posible, se debe intentar utilizar la energía en función de su eficiencia y de su grado de calidad correspondiente. Existe algún ejemplo que sí cumple con esta premisa. Todo proceso de conversión energética pretende alcanzar un trabajo mecánico (o eléctrico), aunque genera un calor residual, por lo que su rendimiento será inferior al 100%. Si de alguna forma se puede aprovechar este calor residual, el proceso se transforma en uno de alta calidad. Este es el principio básico de la cogeneración, es decir, producción combinada de electricidad y calor. Este calor sobrante se puede emplear en algún proceso que requiera energía de baja calidad, por ejemplo en secado o calefacción. De esta forma la eficacia global aumenta, hasta alcanzar un 85% (electricidad: 40%; agua caliente: 25%; gases calientes: 20%). La potencia se define como la capacidad de proporcionar una cierta cantidad de energía por unidad de tiempo. La potencia puede medirse en cualquier instante de tiempo, mientras que la ener-

gía solo puede medirse cuando está en tránsito en forma de calor o de producción de trabajo, mecánico, eléctrico…, y puede medirse experimentalmente durante un periodo determinado. Aunque puede determinarse la energía que tiene un cuerpo en función de su posición (energía potencial), su movimiento (energía cinética), su composición (energía química)… Cuando se analiza un proceso de conversión de energía, por ejemplo, una combustión, se está incidiendo en dos aspectos: en la cantidad de energía convertida, y en la velocidad a la que se produce dicha transformación. Es esta velocidad expresada como energía convertida, entregada… por unidad de tiempo, a la que se conoce como potencia (P). Por ejemplo, que un aerogenerador tenga una potencia nominal de 1.000 kW indica que producirá 1.000 kWh de energía por cada hora de funcionamiento cuando trabaje a máximo rendimiento. De la misma forma, el que un parque determinado tenga 1.000 MW de potencia eólica instalada, no indica exactamente la energía producida por cada una de las turbinas. Para calcular la energía producida por los aerogeneradores se debe conocer la distribución de velocidades de viento para cada aerogenerador. Si se supone que los aerogeneradores trabajan de promedio unas 2.300 horas, para obtener la producción total de energía basta con multiplicar los 1.000 MW de potencia instalada por las 2.300 horas de operación: 1.000 MW × 2.300 h/año = 2.300.000 MWh/año = 2,3 TWh/año

De manera análoga: un tanque de gasolina de un vehículo contiene una cantidad determinada de energía como consecuencia de su composición química, número de átomos de C, de H, etc. Este combustible se puede emplear en un cierto periodo de tiempo, es decir, el proceso de combustión puede ser largo o corto. Cuanto más corto sea dicho periodo, más alta será la potencia, y viceversa, concepto válido para cualquier proceso de conversión de energía. Si bien en lenguaje común los términos energía y potencia se intercambian frecuentemente, cuando se habla técnicamente sobre un sistema de generación, o de utilización de energía, se deben utilizar correctamente, pues en caso contrario se generan verdaderas confusiones.


Dentro de las diferentes formas e intercambiabilidad de la energía hay que destacar la corriente eléctrica. Conocidos son los conceptos de baja y alta tensión, corriente continua y alterna, pudiéndose transformar de unas a otras mediante transformadores e inversores, en los que siempre se pierde algo de energía. Existen muchos aparatos que necesitan de corriente continua para funcionar correctamente, sobre todo aquellos equipos que incorporan una parte electrónica, como ordenadores, televisores, etc. Por esta razón, la corriente continua, también conocida como corriente directa, se utiliza habitualmente en la industria solo en sistemas de baja capacidad como, por ejemplo, baterías secas (pilas), baterías de vehículos y sistemas fotovoltaicos de baja tensión. Grandes sistemas de alta tensión, como las centrales eléctricas, generan corriente alterna, que se suministra a través de la red eléctrica a las viviendas y a centros productivos. Una de las principales razones para el empleo de la corriente alterna es que resulta más fácil y económico aumentar o disminuir su voltaje, lo que permite utilizar la alta tensión cuando se desea transportar electricidad a grandes distancias, con lo que se consigue una menor pérdida de energía. Hoy en día también se transporta electricidad a grandes distancias con altísima tensión en continua, aunque los sistemas de transformación son mucho más complejos. Con un sistema inversor se puede transformar la corriente continua en alterna. La demanda de energía eléctrica presenta una variación diaria, semanal, y estacional, tal como se ha comentado en la Parte I, lo que conlleva tener

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preparados equipos para la máxima demanda, que luego deben desconectarse. La máxima demanda se presenta con la máxima coincidencia de diferentes cargas eléctricas (motores, compresores, iluminación, equipo de refrigeración, etc.) operando todas al unísono. No es lo mismo encender una línea de motores al mismo tiempo que hacerlo en un arranque escalonado. Los picos por demanda máxima se pueden controlar evitando el arranque y la operación simultánea de cargas eléctricas. En la mayoría de países suelen existir dos puntas de demanda diferenciadas a lo largo del año. La primera de ellas coincide con la temporada invernal y es cuando tiene lugar la máxima demanda; la segunda, de menor intensidad, corresponde a la temporada de verano. En España, en los últimos años, la máxima demanda se produce en verano. Para las horas de alto consumo, periodo también conocido como “horas pico”, se ponen en marcha generadores adicionales para aumentar la producción de electricidad y poder hacer frente a la demanda. En el mercado de ocasión eléctrico se pagan tarifas mucho mayores durante este periodo de tiempo. Por tanto esta variabilidad en el consumo o demanda exige instalaciones de mayor capacidad, potencia, y que son utilizadas durante pocas horas al año, por tanto, de una manera poco “eficiente” económicamente, pues su inversión no resulta rentable, pero resulta imprescindible para cubrir el pico de demanda. Una alternatva, que se analiza en los siguientes apartados, sería el disponer un sistema de almacenamiento para cubrir estos picos a base de acumular la energía en los momentos de bajo consumo.

Sistemas convencionales de almacenamiento de energía El almacenamiento energético comprende todas las técnicas ingeniadas para conservar la energía en cualquier forma, y liberarla cuando sea necesario, en la misma forma que se almacenó o en otra distinta. Un ejemplo muy evidente, aunque no es materia de este libro, son los alimentos, que son una forma que muestra la naturaleza de almacenar la energía procedente del Sol. Entre los sistemas convencionales para el almacenamiento de la energía pueden destacarse: depósitos subterráneos de gas natural, hidratos de gas,

aire comprimido, embalses, acumuladores, etc. Quizás en el futuro no será extraño que en cualquier casa, como un elemento imprescindible de la misma, exista un sistema de almacenamiento de energía eléctrico, baterías, condensadores, etc., del mismo modo que en algunas casas tienen actualmente un depósito de gasóleo, de agua, leña, o el acumulador de calor. Un ejemplo es la Isla Corban en Santander, comentada en la Parte IV, que constituye una comunidad que utiliza un importante sistema de acumulación eléctrico, junto a los siste-

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mas de generación fotovoltaicos y minieólica para tener autonomía eléctrica al utilizar un sistema de minigeneración eléctrica cada bloque de cinco casas. Al utilizar un sistema de acumulación, pierden energía en la transformación, pero no se pierde en transporte, y el sistema fotovoltaico y eólico puede tener unas dimensiones más reducidas, además de asegurar la demanda de fluido eléctrico en cualquier momento y en las puntas de consumo . Como se ha comentado, las mismas baterías de los coches eléctricos pueden convertirse, en el futuro, como “depósitos de energía” para ayudar a modular de una forma más constante el consumo de la energía y cubrir los picos de la propia casa donde se enchufa por la noche. También ha aparecido algún artículo en el que se ha propuesto que los grandes y pequeños sistemas de congelación pueden ayudar a la modulación del consumo eléctrico. Por una parte consumen una nada despreciable cantidad de energía eléctrica, por otra hay sistemas de congelación en todas las casas y cada vez es mayor y más extensa la industria que utiliza la congelación: grandes supermercados, todo el sector de alimentación…, si se enfría durante las horas valle, incluso a una temperatura un poco inferior de lo habitual para así no consumir en las horas punta. Es algo parecido a los hoy en día desaparecidos acumuladores de calor, que utilizaban la doble tarifa y que quizás deberán volver, pero con la diferencia de que en la congelación la cuantía de neveras e instalaciones hoy día es enorme. El consumo de refrigerar a una temperatura algo más baja es mayor, pero… quizás permite un sistema de minigeneración autónomo, y convertirse en un sistema económico y con mayor rendimiento que unas baterías o… que una central hidroeléctrica reversible.

DEPÓSITOS SUBTERRÁNEOS DE GAS NATURAL Uno de los primeros almacenamientos subterráneos de gas fue el localizado en Zoar Valley, en Estados Unidos, establecido hacia 1916, y aún a día de hoy funcionando en perfecto estado. El proceso de confinamiento diseñado consistía en inyectar en verano el gas producido en los yacimientos, para poder ser utilizado durante las frías temporadas de invierno. En las décadas siguientes se pusieron en

marcha en Norteamérica numerosos sistemas de almacenamiento de gas para suministrar combustible a las poblaciones cercanas cuando la demanda superaba la capacidad de las redes de transporte. Actualmente existen en el mundo más de 550 instalaciones de almacenamiento subterráneo de gas natural, principalmente localizadas en Estados Unidos y en la Unión Europea. El confinamiento se suele realizar en rocas porosas (yacimientos ya extinguidos), en depósitos salinos o en minas abandonadas. En el diseño de un sistema de almacenaje subterráneo de gas natural se tiene en cuenta el volumen de gas de trabajo (gas disponible para la extracción) y el régimen de extracción máximo durante un periodo de tiempo determinado. El volumen de gas se calcula en función de la capacidad de almacenamiento de la instalación y por la diferencia entre la presión máxima y mínima. Debe señalarse que siempre queda almacenado una parte del volumen total, denominado gas colchón. El régimen de extracción viene limitado por la resistencia del propio pozo al flujo de gas. Los sistemas de almacenamiento deben garantizar elevadas presiones de inyección y altos regímenes de producción, así como alteraciones periódicas en la inyección del gas. Se supone que un pozo subterráneo tiene una vida media de unos 80 años. El confinamiento de gas natural en depósitos salinos es muy empleado a causa de las propias características de la sal. La sal posee una alta resistencia y fluye plásticamente, sellando fracturas en las estructuras, aunque bien es cierto que las cavernas pueden contraerse a lo largo del tiempo. La sal es impermeable y muy poco porosa a los hidrocarburos líquidos y gaseosos, por lo que el gas almacenado, prácticamente, no puede escapar. Además, la productividad de estos sistemas es elevada, ya que no se registran pérdidas de carga en el flujo del combustible. Otra de las ventajas es que las transiciones entre los procesos de inyección y producción son muy rápidas. Muchas de las instalaciones de almacenamiento de gas natural se efectúan en rocas porosas de yacimientos ya agotados, cuyo coste económico es menor si se compara con otros sistemas. Estos almacenes suelen ser muy empleados como reservas

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estratégicas, ya que sus limitadas capacidades de producción descartan su suministro durante largos periodos de demanda de energía. Un yacimiento de estas características es el que se encuentra en South Bend (Indiana), descubierto en 1922 y transformado en almacén subterráneo en 1951. Del total de su capacidad de almacenamiento, únicamente un 33% está disponible para su extracción, a causa de la heterogeneidad del yacimiento. Además, de los 65 pozos existentes, únicamente doce están activos para la producción. Actualmente se están utilizando en España los almacenamientos subterráneos de Serrablo (Huesca) que incluye dos estructuras distintas: Aurín y Jaca, y el de Gaviota, de tipo offshore, frente a las costas de Bermeo (Vizcaya), una vez que se hubieron agotado sus yacimientos respectivos. Durante el año 2006 se inyectaron en Serrablo unos 350.457.000 hm3 de gas natural, y se retiraron unos 295.000.000 hm3. Por otra parte, en Gaviota se inyectaron unos 492.200.000 hm3, y se extrajeron unos 361.000.000 hm3. Está previsto que cuando en el futuro se agoten las reservas de los yacimientos de Marismas y Poseidón (ambos en Huelva) también sean utilizados como almacenamientos subterráneos. En la actualidad se están desarrollando estudios petrofísicos que garanticen la utilización de cavidades salinas, pozos subterráneos y rocas porosas como futuros almacenamientos de gas natural. Hay que tener en cuenta que la búsqueda de emplazamientos deberá estar dirigida a unas localizaciones que estén lo más cercanas posible de los centros del consumo y siempre asegurándose de que su diseño y operación tengan una conexión adecuada a las redes de transporte. Además, también se está trabajando en la mejora y ampliación de los ya existentes. Los propósitos del almacenamiento subterráneo son diversos: •

• •

Modular la relación entre la oferta y demanda del gas natural, pudiendo hacer frente a interrupciones en el suministro y a variaciones temporales. Evitar fluctuaciones severas e inesperadas en el precio de los combustibles. Establecer medidas de seguridad en forma de reservas estratégicas, asegurando la con-

•

tinuidad en el suministro de gas natural en el caso de fallo en los aprovisionamientos. Minimizar la excesiva dependencia de los países suministradores de gas natural.

En un almacén subterráneo, la capacidad de inyección debe ser suficiente como para permitir el almacenamiento durante el periodo estival. Además, la capacidad de extracción debe permitir el suministro punta en la temporada de invierno y en aquellas situaciones extraordinarias de alta demanda de energía. Podría decirse que actualmente España depende exclusivamente del mercado extranjero para proveerse de gas natural; la producción propia apenas alcanza un 0,2% del total demandado. Aunque en el futuro está prevista la diversificación en la procedencia del combustible, un mayor fomento en el uso de las energías renovables y una mayor eficiencia energética de los actuales sistemas de generación de energía, previsiblemente redundará en una menor dependencia de las importaciones de gas natural. Aun así conviene indicar que el gas de producción propia, aunque escaso, es de mucha utilidad para cubrir puntas de demanda. Las características de los almacenamientos subterráneos de Serrablo (Aurín y Jaca) y Gaviota, correspondientes al año 2002, se muestran en la Tabla 52.2. Tabla 52.2. Características de los almacenamiento subterráneos de Serrablo y Gaviota, en 2002 (Fuente: Retelgas). Serrablo Volumen útil (Mm3)

Aurín

Jaca

Gaviota

160

475

779

Gas colchón (Mm3)

135

285

1.702

Total (Mm3)

295

760

2.481

Extracción punta (Mm3/día)

2,4

2,5

5,7

En el futuro se espera contar con otros almacenamientos subterráneos, como el de Santa Bárbara (Guadalajara) o los de Reus y Amposta (Tarragona). En el caso de Reus, cuyo proyecto está en estudio y posiblemente se pondrá en marcha en 2011, se prevé aprovechar un acuífero cercano con una capacidad útil de unos 1.000 NMm3, y una capaci-

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dad de extracción de unos 400.000 m3/h. En el caso de Amposta (conocido como Proyecto Castor), se trata de aprovechar un yacimiento petrolífero ya agotado como almacenamiento subterráneo. Estas actuaciones están contempladas en el documento Revisión 2005-2011 de la Planificación de los Sectores de Electricidad y Gas 2002-2011, aprobado por el Consejo de Ministros. En resumen, el consumo total en España de gas natural en el año 2007 fue de unos 406.300 GWh (3,91 × 104 NMm3). La capacidad de almacenamiento subterráneo en España es de 3.536 NMm3, por lo que, teóricamente, supone una capacidad de suministro instantánea de unos 33 días. De todas formas, en España, y en todos los países de la Unión Europea, es obligatorio disponer de unas existencias mínimas de seguridad de hidrocarburos que se almacenan para que puedan consumirse de acuerdo con las necesidades del mercado. Contando con las debidas autorizaciones, se pueden localizar las existencias mínimas de seguridad y estratégicas en otros países de la Unión Europea, siempre que exista un acuerdo intergubernamental con dicho Estado que garantice su disponibilidad de forma que no suponga perjuicio para la seguridad del abastecimiento nacional.

HIDRATOS DE GAS Teniendo en cuenta la escasez real de combustibles fósiles, con apenas reservas para unos 60

años en el caso particular del gas natural, resulta imprescindible hallar nuevas fuentes que ayuden a mantener el nivel socioeconómico requerido que proporciona el actual consumo de combustibles. Para algunos sectores las reservas de hidratos de gas es alternativa nada desdeñable que requiere de un estudio a corto y medio plazo. Estos depósitos de metano, formados por la descomposición de animales marinos, han quedado retenidos en las plataformas continentales a consecuencia, principalmente, del frío y de las elevadas presiones. Es importante destacar que el poder calórico estimado de los hidratos de gas es unas 73 veces superior al del gas metano, aunque es unas seis veces inferior al del gas natural licuado. Los depósitos de esta posible fuente energética están repartidos por los sedimentos oceánicos de los litorales continentales, y también en las regiones polares. El hidrato de gas podría equipararse a una especie de cubito de hielo que ocupa los poros de los sedimentos oceánicos y que únicamente es estable a profundidades superiores a los 500 m. Los hidratos de gas están formados por una mezcla gaseosa de la cual el metano es el componente mayoritario. Podría afirmarse que estos hidratos gaseosos constituyen actualmente la mayor reserva conocida de gas metano. Y sus reservas son incluso mayores que las de los combustibles fósiles empleados actualmente (gas natural, petróleo y carbón). Los científicos estiman que los hi-

Figura 52.3. Distribución del carbono orgánico (Fuente: Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra). (*) incluye suelo, turba, seres vivos y detritus (**) incluye materia orgánica disuelta y seres vivos


dratos de gas presentes en la Tierra contienen más de diez billones de toneladas de carbono en forma de metano, más del doble que la reserva mundial de combustibles fósiles donde el carbono se encuentra en forma de petróleo, carbón y gas natural. La Figura 52.3 muestra la distribución del carbono orgánico, en la que tanto la parte correspondiente a “tierra” como a “océanos” incluyen a los seres vivos. Pero su verdadero problema es encontrar depósitos suficientemente concentrados que rentabilicen la inversión y que sean comercialmente viables, cómo acceder a ellos, y, sobre todo, qué técnicas emplear para extraer el gas natural de la descomposición de los hidratos de carbono y valorizar la energía en ellos contenida. Estos gases, que se han formado a partir de la descomposición bacteriana de materia orgánica y la descomposición térmica de hidrocarburos, se encuentran aislados en una especie de jaula de hielo, ya que el agua presente en los sedimentos, y a las condiciones de unos 3 ºC y profundidades que pueden ser próximas a los 2.000 metros, se congela y atrapa el metano. El más común de estos compuestos es el hidrato de metano, cuya estructura está formada por veinte moléculas de agua dispuestas en los veinte vértices de un dodecaedro, que atrapan a una molécula de metano. La concentración de gas es muy alta, habiéndose calculado que un 1 m3 de hidrato de metano contiene 164 m3 de metano y menos de 1 m3 de agua, aunque es muy complicado extraer el metano del hielo y transportarlo a la superficie. Japón ya ha empezado a hacer excavaciones para extraer el gas del subsuelo oceánico, pudiendo determinar de esta forma las posibilidades reales de extracción a escala industrial. Una de las técnicas empleadas es la despresurización, consistente en taladrar la capa de sedimentos que contiene los hidratos de carbono para reducir su presión, y de esta forma permitir que se disgregue la estructura y se libere el metano. Otra técnica ensayada es la inyección térmica, basada en el bombeo de agua caliente dentro del sedimento, de forma que un aumento de la temperatura favorece la desestabilización de la estructura del hidrato de gas y la liberación de la molécula de gas. Existe otro método, aunque se encuentra en fase piloto, consistente en

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inyectar CO2 en los depósitos e intercambiar un gas por otro, lo que permitiría emplear los sedimentos como trampa de CO2 además de aprovechar el gas natural almacenado. Es muy importante que los métodos de extracción consigan minimizar los escapes de metano a la atmósfera, ya que este gas tiene un efecto invernadero unas 21 veces superior al CO2. Además, los hidratos de gas almacenan una cantidad de metano unas 3.000 veces mayor que el que se puede encontrar en la Tierra, lo que da una idea de la catástrofe que pudiera ocurrir si todo este gas se liberara a la atmósfera. Estudios científicos recientes sugieren que una parte del metano retenido en los hidratos de gas está siendo liberado a la atmósfera. En algunas zonas la concentración de metano se ha detectado que es unas 100 veces superior al habitual. Incluso hay quien cree que en el pasado un súbito escape del metano ocasionó un aumento de la temperatura global del planeta, provocando incluso la extinción de algunas especies de animales y vegetales. Actualmente, en algunos mares de Siberia y de los países nórdicos, el deshielo está provocando que se escape el metano que hasta ahora quedaba retenido, hecho que muchos científicos relacionan con el aumento de temperatura, próximo a los 4 ºC, registrado en esta zona en los últimos años.

AIRE COMPRIMIDO El gas natural no debe considerarse como el único gas que puede almacenarse en depósitos subterráneos; también es posible hacerlo con aire comprimido (CAES, Compressed Air Energy Storage). La primera de estas plantas se instaló en Huntorf (Alemania) en el año 1978, y dispone de dos cavernas naturales capaces de almacenar 310.000 m3 de gas. El funcionamiento consiste, como muestra la Figura 52.4, en que, durante las fases diarias de menor consumo, las centrales energéticas almacenen la energía en forma de aire comprimido para su posterior empleo en los periodos de mayor demanda. Las instalaciones de aire comprimido funcionan como grandes baterías. Unos potentes motores eléctricos activan unos compresores de aire que lo almacenan en depósitos subterráneos durante los espacios de tiempo en que el uso, y el coste eco-

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Figura 52.4. Representación esquemática del almacenamiento de energía en forma de aire comprimido (Fuente: Elaboración propia).

nómico, de la electricidad son menores. Cuando se requiere más energía eléctrica durante los periodos de mayor demanda, el aire comprimido se utiliza en turbinas de combustión modificadas para generar electricidad. Aun así es necesario emplear gas natural (o cualquier otro combustible de origen fósil) para hacer funcionar las turbinas, pero el proceso global resulta más eficiente energéticamente. Cuantitativamente, este método utiliza hasta un 50% menos de gas natural que el sistema de producción normal de electricidad. Un caso excepcional es su aplicación en aerogeneradores. Muchas veces el viento sopla durante periodos de tiempo en los que el consumo de energía es mínimo. A veces ocurre que los sistemas de transmisión no pueden aceptar toda la energía. En estos casos el almacenamiento energético permite que esa energía acumulada sea suministrada cuando la necesidad es mayor (el generador eólico puede accionar directamente el rotor del compresor, o bien la electricidad producida por el aerogenerador, accionar el motor del compresor). De esta forma puede proporcionarse más energía renovable de lo que sería posible sin el almacenamiento, a la vez que la eficiencia energética aumenta considerablemente. Se ha estimado que el aire comprimido se puede almacenar fácilmente a 100 bares. El aspecto ne-

gativo está en que la eficiencia, en los dos proyectos realizados, se sitúa por debajo del 55%, pues el calor desarrollado en la compresión no puede ser utilizado. A medida que la energía eólica se incremente se espera que esta tecnología mejore. Por esta razón, la eléctrica germana RWE y GE están investigando la factibilidad de un nuevo concepto denominado “adiabático avanzado” (AA-CAES) que también valoriza el calor desarrollado durante la compresión del aire. Se espera la primera planta piloto para 2012. Otra posible aplicación del aire comprimido es en vehículos, siendo una buena alternativa a los habituales modelos con motor de explosión (ello está ampliado en la Parte III de esta obra). Otra posibilidad consistiría en incorporar este sistema en vehículos híbridos. En este caso sería necesario incorporar bombonas de aire comprimido y baterías de propulsión eléctrica adicionales, de forma que este vehículo híbrido dispondría de propulsión eléctrica y neumática. Las ventajas de incorporar el aire comprimido en vehículos son diversas: •

• •

El coste energético de comprimir el aire es inferior que el relativo a los motores de explosión. El aire es abundante, económico, almacenable y, sobre todo, no contaminante. El aire no es inflamable.


• • •

•

El diseño mecánico del motor es sencillo y robusto. Menor coste de fabricación y mantenimiento de los vehículos. Las bombonas de aire comprimido son menos contaminantes que las baterías y son más fácilmente reciclables. Las bombonas tienen una vida útil superior a las baterías.

Otra variante para automoción consiste en el proyecto desarrollado por el Swiss Federal Institute of Technology, de Zúrich, donde se propone usar la inercia del frenado (o las pendientes cuesta abajo) para captar aire y, usando los propios pistones del motor, comprimir y almacenar aire. Más tarde este aire sigue propulsando el vehículo. Sus promotores aseguran que ello solo incrementaría el coste de un automóvil convencional en un 20%.

CENTRALES HIDRÁULICAS REVERSIBLES La demanda eléctrica varía constantemente, y es necesario que las centrales eléctricas generen la energía demandada en cada instante, aunque también resulta imprescindible que los sistemas de distribución energética no fallen. Existen centrales que, debido al tipo de tecnología de generación que emplean, no pueden variar fácilmente la energía generada, como sería el caso de las centrales nucleares; asimismo las centrales térmicas

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convencionales presentan diversas restricciones técnicas y económicas frente a estas variaciones. En cambio, las centrales hidráulicas reversibles presentan pocas restricciones a la variación de carga. Al utilizar estas centrales se suaviza la curva de la demanda, con lo que se reducen las variaciones de energía que tienen que realizar las tecnologías menos apropiadas para ello. De este modo las centrales reversibles bombearían agua en las horas valle (periodos de bajo consumo), y activarían las turbinas en las horas punta. A pesar de que en un ciclo de bombeo y turbinado se producen unas pérdidas energéticas del orden del 25-30%, en términos económicos estas pérdidas suelen ser menores que la relación de costes de generación entre las horas punta y valle. Una central hidroeléctrica reversible, además de poder transformar la energía potencial del agua en electricidad, cosa que hacen por defecto todas las centrales hidráulicas, tiene la capacidad de hacerlo a la inversa, es decir, aumentar la energía potencial del agua, por ejemplo, subiéndola a un embalse, consumiendo para ello energía eléctrica de almacenamiento por las bombas de trasvase. De esta manera, estas centrales pueden utilizarse como un método para almacenamiento de energía, trabajando como una batería gigante. Estos sistemas están concebidos para almacenar energía durante los periodos de menor consumo, y consumirla posteriormente cuando exista una ma-

Figura 52.5. Esquema de una central hidroeléctrica reversible (Fuente: Unesa).

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yor demanda. En resumidas cuentas, lo que se pretende con este tipo de centrales es bombear agua por la noche desde el embalse convencional hasta un embalse situado en alto consumiendo energía barata y dejarla caer, pasando a través de las turbinas durante las horas punta, generando energía y vendiéndola más cara. Las centrales hidroeléctricas reversibles, como se esquematiza en la Figura 52.5, están formadas por los siguientes elementos: • • •

Embalse situado a pie de central, desde el que se bombea el agua. Embalse situado a mayor altura. Central hidráulica reversible, encargada de bombear o turbinar el agua entre el embalse inferior y el superior. La central está formada por turbinas y generadores para la producción de energía eléctrica.

Por lo que se refiere a la eficiencia energética, es preferible que tanto las bombas de trasvase de agua como las turbinas funcionen a potencia y caudal nominal según el periodo de tiempo en que se encuentren. De este modo durante el periodo de mínima demanda energética todas las bombas estarán encendidas (y las turbinas apagadas), bombeando agua desde el embalse inferior hasta el superior. A medida que la demanda energética va creciendo, o

lo que es lo mismo, a medida que aumenta el precio de la electricidad, las bombas van dejando de funcionar. En el momento en que empiezan las horas pico, todas las bombas se encuentran apagadas y se empiezan a encender turbinas. Es muy aconsejable que en los momentos de máxima demanda todas las turbinas estén en marcha. Es preciso añadir que las centrales hidroeléctricas reversibles tienen un menor rendimiento cuando están funcionando como bombas que cuando están funcionando como turbinas. Las centrales hidroeléctricas constituyen una forma de generación de energía bastante aceptada socialmente, pues son una eficiente forma de combatir el cambio climático y reducir las emisiones de dióxido de carbono. Además, la imposibilidad de construir nuevos grandes embalses hace que la opción de las centrales hidroeléctricas reversibles sea, muchas veces, la apuesta gubernamental para aumentar los recursos hidroeléctricos. En España existen actualmente doce centrales de este tipo con una potencia instalada de 3.600 MW. A corto plazo está proyectada la construcción de siete nuevas plantas que aumentarán la potencia instalada total hasta unos 6.400 MW. En el año 2008, la potencia eléctrica instalada en España era de unos 92.000 MW, con lo que las centrales hidráulicas reversibles representarían casi el 7% de la potencia total instalada.

Sistemas avanzados de almacenamiento de energía Un sistema energético que sustituya las fuentes convencionales por las renovables debe tener presente el siguiente aspecto: solo se puede disponer de esta energía mientras exista el recurso, es decir, los parques eólicos únicamente producen energía cuando hay viento y las plantas fotovoltaicas solo funcionan si hay irradiación solar. Por esta razón, si se plantea una transición a un modelo mayoritariamente basado en las energías renovables, es necesario contar con sistemas de almacenamiento de energía para disponer de ella cuando no exista el recurso. Los sistemas avanzados de almacenamiento de energía deben ser eficientes, económicos y con un bajo impacto ambiental, así como poseer una eficiencia energética mejorada y demostrable. Entre estos sistemas avanzados destacan: sales fundidas, superconductores, baterías electromecá-

nicas, etc. En la Figura 52.6 se comparan diversos sistemas avanzados de almacenamiento de energía en función de la potencia y de la duración de descarga. El almacenamiento de energía en el rango de los milisegundos tiene su aplicación en la mejora de la calidad de la energía de la red eléctrica, mientras que los sistemas de almacenamiento en el rango de los segundos y los minutos pueden aplicarse para evitar y minimizar las fluctuaciones de energía a corto plazo. Por su parte, los sistemas de almacenamiento con duración de descarga del orden de horas e incluso días son adecuados para minimizar la ausencia del recurso renovable. En cuanto a eficiencia energética, los mejores sistemas son los superconductores y las baterías electromecánicas, con eficacias próximas al 95%; las


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Figura 52.6. Esquema comparativo de los diversos sistemas avanzados de almacenamiento de energía (Fuente: Aso Aguarta et al.).

baterías tienen un rendimiento del 85%, mientras que el del aire comprimido es prácticamente de un 70%.

SALES FUNDIDAS En el año 2008 existían en España dos plantas solares, una en Almería (PSA) y la otra en Granada (Andasol-1), disponiendo de un sistema de almacenamiento de energía mediante la tecnología de sales fundidas. Estas plantas están formadas por una serie de helióstatos que concentran la radiación solar sobre un receptor que actúa como un intercambiador de calor, y que se encuentra en la parte superior de una torre. La energía térmica concentrada permite, a través de un circuito por el que circulan sales fundidas a una temperatura entre 260 ºC y 560 ºC, generar vapor para alimentar una turbina y almacenar la energía sobrante en un depósito de sales fundidas a más de 550 ºC. De esta forma es posible seguir produciendo energía sin la aportación de la radiación solar, pudiendo incluso duplicar la producción de energía eléctrica.

Las ventajas del almacenamiento con sales fundidas son diversas: • • •

Garantizar un suministro de energía estable y sin interrupciones. Aumentar la eficiencia energética de las plantas. Evitar la emisión de CO2 a la atmósfera y cumplir con el compromiso de Kyoto para la reducción de las emisiones de GEI.

En el caso concreto de la planta de energía solar Andasol-1 (Granada), la instalación se ha llevado a cabo en una zona con uno de los mejores recursos de radiación solar directa existente en España, disponiendo de un rendimiento casi constante de unas ocho horas diarias. La planta termosolar Andasol-1, cuyo esquema se reproduce en la Figura 52.7, está formada por 200.000 espejos, y ocupa una superficie total de 510.120 m2. El objetivo prioritario de la planta es generar energía eléctrica a partir de la radiación solar, contando además con un sistema de almace-

916


Figura 52.7. Esquema de funcionamiento de la central termoeléctrica de Granada (Andasol-1) con almacenamiento energético mediante sales fundidas (Fuente: InfoPower, Junio 2006).

namiento de energía a partir de sales fundidas, normalmente mezcla de nitratos (60% NaNO3, 40% KNO3), con una autonomía de unas seis horas. Es preciso que las sales funcionen siempre en forma líquida (fundidas), para que puedan bombearse, almacenarse y aumenten sus prestaciones de transmisión de calor en los intercambiadores. Uno de los potenciales peligros que entrañan este tipo de centrales es que descienda la temperatura y las sales solidifiquen. Ello supondría desmontar toda la instalación. Los colectores solares calientan el fluido térmico hasta casi 400 ºC, pudiendo bombearse al generador de vapor (aprovechamiento directo) o al sistema de almacenamiento térmico (aprovechamiento indirecto) donde se empleará posteriormente. En el aprovechamiento directo de la energía, el fluido térmico produce vapor a 377 ºC y 98 bares de presión, y una vez condensado vuelve a enviarse al campo solar para ser calentado nuevamente. El fluido térmico trabaja cíclicamente, calentándose en el campo solar y enfriándose al producir vapor en el generador donde se expande y mueve la turbina.

Por lo que se refiere al aprovechamiento indirecto, durante los periodos de alta insolación (radiaciones superiores a 400 W/m2) una parte de la energía se emplea para generar electricidad y otra parte para cargar el sistema de almacenamiento. El funcionamiento de la tecnología de almacenaje de energía es el siguiente: el fluido térmico cede su energía calorífica a las sales fundidas, pasando del tanque frío (a 292 ºC) al tanque caliente donde se almacenan a 386 ºC. En los momentos en que la radiación sea inferior a 400 W/m2, toda la energía solar radiante se aprovecha directamente y, además, se extrae la energía calorífica del tanque caliente de almacenamiento de las sales fundidas mediante un sistema inverso, es decir, se bombean las sales desde el tanque caliente al tanque frío pasando por un intercambiador y cediendo el calor al fluido térmico, que a su vez se mezclará con el fluido proveniente del campo solar para generar vapor nuevamente y mover la turbina. A partir de la puesta de sol, el proceso es similar, ya que el aprovechamiento en el campo solar no tiene lugar, y empieza a emplearse la energía del sistema de almacenamiento de las sales fundidas del tanque caliente.


Cuantitativamente, en la planta Andasol-1 se dispone de una radiación directa anual de 2.136 kWh/m2, generando más de 464.700 MWh de energía térmica en forma de vapor capaz de mover una turbina y generar casi 180.000 MWh de energía eléctrica al año (el factor determinante son las horas reales de trabajo al año: si hay almacenamiento de energía o no), con una eficiencia del 16% de conversión de la radiación solar a energía eléctrica. Nótese que la eficiencia indicada, un 16%, es inferior a la obtenida en, por ejemplo, una planta de generación de electricidad a partir de biomasa. En un futuro inmediato no es posible obtener rendimientos superiores. Hay que tener en cuenta que el foco caliente (la radiación) calienta un fluido (sal fundida) y esta cede su calor sensible al agua (generación del vapor), fase que supone unas pérdidas del 15/20%. Seguidamente el vapor de agua sigue un ciclo de Rankine, cuyo rendimiento está limitado por la temperatura de entrada y salida del vapor a la turbina. Todo ello supone un rendimiento del orden del 20%. Es decir, captación, pérdidas en el transporte de sal fundida, intercambio calor sal fundida/generación de vapor, rendimiento del 80% y producción de electricidad con un rendimiento del 20%, equivale a un rendimiento global del 16%. La tecnología actual trabaja en la posibilidad de lograr una generación de sales que funcionen a mayor temperatura, de manera que el rendimiento de la etapa de intercambio se acerque al 90%. En este caso, la segunda fase, el ciclo de Rankine, también mejoraría, posiblemente hasta un 24%, con lo que el rendimiento global alcanzaría el 22%. Aumentar el rendimiento seis puntos porcentuales supone construir instalaciones más reducidas para generar la misma energía. En cualquier caso, obtener un rendimiento del 16% a partir de un combustible gratuito, abundante e inagotable como es el Sol a escala humana, debe considerarse, hoy en día, un valor a potenciar.

SUPERCONDUCTORES El almacenamiento de energía magnética por superconducción, también conocido como SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage), consiste en acumular la energía en forma de campo

917

magnético creado por la circulación de una corriente continua en un anillo, o bobina, superconductor. Para valores adecuados del campo magnético se pueden almacenar densidades de energía muy altas comparadas con otros sistemas de almacenamiento energético. Un sistema SMES está formado por los siguientes componentes: • • •

Bobina superconductora. Sistema de electrónica de potencia. Sistema de refrigeración criogénico.

En la bobina, fabricada de material superconductor, se hace circular una corriente. Como no hay disipación de energía, ya que no existe resistencia eléctrica, la corriente permanece circulando durante mucho tiempo. Es decir, no se genera calor cuando se hace pasar la corriente eléctrica a través del superconductor. En cambio, en un sistema conductor convencional, la pérdida de energía debida a su resistencia se disipa en forma de calor. Este calor generado impone un límite al número de componentes electrónicos que pueden empaquetarse juntos. Utilizando superconductores se podrían empaquetar herméticamente un gran número de componentes electrónicos, sin preocuparse por la disipación de calor. Una vez que la bobina superconductora se ha cargado, la corriente no disminuye y la energía magnética puede almacenarse de forma indefinida. En aquellos momentos en que sea necesario es posible aprovechar la energía almacenada en la bobina. Para extraer la energía se interrumpe la corriente que circula por la bobina abriendo y cerrando repetidamente un conmutador de estado sólido del sistema de la electrónica de potencia. Dependiendo del tiempo en el que se realiza la descarga de energía eléctrica, los electroimanes pueden utilizarse en reactores de fusión o en sistemas de distribución comercial de energía eléctrica. La energía almacenada puede ser entregada a la red descargando el anillo. Debido a su alta inductancia, la bobina se comporta como una fuente de corriente que puede utilizarse para cargar un condensador que proporciona una entrada de corriente continua a un inversor que produce la corriente alterna requerida. El sistema de potencia origina del 2% al 3% de pérdidas energéticas. Aun así, los sistemas superconductores son muy eficientes

918


energéticamente, ya que sus pérdidas son muy bajas comparadas con las de otros sistemas de almacenamiento de energía. Actualmente ya es posible construir electroimanes superconductores capaces de almacenar hasta 2.800 kWh, aunque realizar descargas tan elevadas solo es posible con interruptores superconductores. El principal atractivo de la aplicación de estos sistemas consiste en su utilización en las redes comerciales de distribución de energía eléctrica, sobre todo para el consumo en las horas pico. Para la mayoría de las aplicaciones técnicas, la operación de los electroimanes debe ser totalmente automática, lo que requiere complicados sistemas de control, así como sistemas de refrigeración de circuito cerrado interconectados con el sistema de alimentación de energía. Debido a la energía absorbida por el sistema de refrigeración y al elevado coste económico de los materiales superconductores, estos sistemas se están utilizando para el almacenamiento de energía de corta duración, siendo aún su aplicación más común la mejora de la calidad de distribución de electricidad, evitando los huecos de tensión y los microcortes.

BATERÍAS ELECTROMECÁNICAS Las baterías electromecánicas son análogas a las electroquímicas, en el sentido de que pueden almacenar temporalmente la energía cinética para posteriormente restituirla en forma de electricidad en el volante de inercia. La energía cinética viene determinada por la siguiente expresión: Ec = ½ • I • w2

Siendo Ec la energía cinética, I el momento de inercia, y w2 el cuadrado de la velocidad de giro del volante de inercia. En la Figura 52.8 se muestran los componentes de una batería electromecánica de almacenamiento de energía. Para incrementar la energía cinética se puede aumentar el momento de inercia. También puede incrementarse la velocidad de giro, que ofrece una mayor eficiencia al estar elevada al cuadrado. Las baterías pueden ser de dos tipos según la velocidad de giro: de baja velocidad (inferior a 6.000 rpm) y de alta velocidad (aproximadamente 10.000 rpm). De todas formas, la velocidad de giro viene determinada por el material del volante de inercia. En los sistemas de baja velocidad el material suele ser de acero, mientras que en los de alta velocidad se suelen emplear materiales compuestos (fibras de vidrio y de carbono). En las baterías de alta velocidad, la máquina eléctrica ─que transforma la energía mecánica en eléctrica─ y el volante de inercia están integrados, formando un único elemento compacto. El número de ciclos de carga, independiente de la temperatura, es muy elevado, y el intercambio de potencia tiene lugar en un breve espacio de tiempo, del orden de segundos. La principal ventaja de este sistema es su vida útil, de unos veinte años. Además, al final de su vida no genera residuos contaminantes. Las baterías electromecánicas resultan útiles en aplicaciones relacionadas con la calidad de la energía; por ejemplo, en modelos con cortes de electricidad, estos sistemas son más fiables que las baterías de plomo, que, además, son muy de-

Figura 52.8. Esquema de una batería electromecánica, donde R: rectificador; I: inversor; C.B.: convertidor bidireccional; M.E.: máquina eléctrica; V.I.: volante de inercia; Rd: rodamientos (Fuente: Peña Alzola, R. y Sebastián Fernández, R.).


pendientes de la temperatura. Otra aplicación sería en instalaciones con tecnología renovable (por ejemplo, solar o eólica), para compensar las oscilaciones de potencia, de forma que acumulasen la energía durante los periodos en que existe presencia del recurso (sol o viento, respectivamente) y la devolviesen durante su ausencia. La combinación de este sistema con tipos de instalaciones de generación de energía renovable disminuye el número de ciclos de parada y arranque de los grupos de potencia, a la vez que aumenta su vida útil. Otra aplicación posible son los vehículos. En este caso se podrían diferenciar el consumo energético medio del consumo fluctuante a causa de las aceleraciones y las frenadas. La configuración más eficiente estriba en dimensionar la fuente de propulsión para el consumo medio de energía y emplear las baterías electromecánicas para hacer frente al consumo fluctuante. Las baterías almacenan la energía durante las frenadas y la liberan en las aceleraciones. Esta combinación de sistemas es la habitual de los vehículos híbridos, que de esta forma ven reducido el consumo de combustible. Un caso parecido sería su empleo en catenarias para mitigar las oscilaciones de voltaje y reducir el consumo eléctrico. También tiene aplicación en industria aeroespacial, principalmente en satélites, que se recargan durante el día y liberan la energía durante la noche.

BATERÍAS ELECTROQUÍMICAS El litio es un material muy interesante en el campo del almacenamiento de la energía. La reacción de pasar del catión litio a litio metal presenta uno de los voltajes más negativos que existen, por lo que hacer una pila en la que se combina este material con cualquier otro con voltaje positivo implica tener una pila con una fuerza electromotriz muy elevada (las primeras unidades de este tipo de baterías para aplicaciones portátiles dieron problemas, hoy en día superados). Por otra parte, el peso atómico de este metal es muy bajo, lo que permite construir dispositivos muy pequeños y ligeros. El mayor problema del litio es que, al presentar voltajes tan bajos, es muy reactivo, no solo con el material empleado en el otro electrodo sino con cualquier impureza, espe-

919

cialmente con el agua, lo que obliga a trabajar en sistemas herméticos, en los que no pueda entrar absolutamente nada de agua ni de oxígeno. Los materiales más habituales que se enfrentan con el litio en pilas primarias o no recargables son el dióxido de manganeso, el disulfuro de hierro y el SOCl2. Este último producto es un líquido. El disulfuro de hierro proporciona una fuerza electromotriz similar a la de las pilas alcalinas pero funciona durante más tiempo (aunque es más cara) mientras que el dióxido de manganeso proporciona el doble de fuerza electromotriz. Exteriormente estas pilas son similares a las alcalinas pero interiormente no es un cilindro rodeando a otro, sino que se trata de dos láminas planas muy largas que se colocan separadas por una tercera lámina que es el papel separador. Estas tres láminas se enrollan sobre sí mismas y se introducen en la carcasa de acero que se cierra herméticamente, colocándose los colectores positivo y negativo adecuadamente.

ELECTROLIZADOR. PRODUCCIÓN DE H2 La aleatoriedad de las EE RR obligan a recurrir a sistemas de almacenamiento de energía y usarla cuando el elemento que la generó (sol, viento) deja de actuar. Una solución consiste en aprovechar la energía puntual sobrante para electrolizar agua y obtener hidrógeno, que luego puede revertir al sistema por medio de pilas de combustible. El hidrógeno tiene propiedades atractivas para la integración en energías de carácter intermitente, sobre todo por su multifuncionalidad: actúa como un “portador energético” almacenable que puede ser reconvertido en electricidad, ajustando la oferta y la demanda, o utilizarlo como un combustible limpio en el transporte por medio de pilas de combustible. La electrólisis del agua tiene rendimientos muy elevados. La eficiencia eléctrica/electrónica se estima en un 94%, mientras que el electrolizador es del 62% y el compresor del 99%; la pila de combustible estacionaria es del 70%, lo que proporciona un rendimiento global del 40%. Básicamente es un sistema para almacenar temporalmente la energía eólica, o termosolar, excedentaria y devolverla a la red cuando sea preciso.

Costes de generación de la electricidad a partir de energías renovables

53

EN UN FUTURO LAS TECNOLOGÍAS RENOVABLES SE HABRÁN DESARROLLADO POR COMPLETO Y SERÁN MÁS ECONÓMICAS QUE LAS CONVENCIONALES. •

•

•

•

• •

•

•

•

Uno de los inconvenientes de alguna de las energías renovables es su coste de generación comparado con el de las convencionales. En un futuro no muy lejano estas tecnologías renovables se habrán desarrollado por completo y serán más económicas que las convencionales. El coste de la generación de electricidad a partir de ciclo combinado de gas natural, en 2008, fue de 6,16 c€/kWh. El coste real de generación es muy dependiente del coste del gas natural (puede alcanzar el 80%). Se prevé que, a partir de 2010, el coste se incremente. El coste de la nuclear es de 4,48 c€/kWh, precio que se prevé que descienda ligeramente ya que las centrales nucleares de tercera generación serán más eficientes y, también, más seguras. La incidencia del combustible es de solo un 12% del total. Para tomar un valor de referencia se establece un mix, como el usado en 2008, lo que supone que el coste medio de generación de la electricidad generada con combustibles convencionales fue, en 2008, de 6,68 c€/kWh. Todos los costes que siguen se hallan calculados a finales de 2008. El coste a partir de biomasa depende del combustible empleado: RSU (1,12 c€/kWh), biomasa forestal (9,19 c€/kWh) o residuos agrícolas (9,99 c€/kWh). El coste de la tecnología geotérmica depende de los costes de perforación, y oscila entre 6 c€/ kWh y 12 c€/kWh, mientras que el coste de la energía a partir de las olas es, en la actualidad, de 19,35 c€/kWh. El coste de la energía eólica onshore (en terreno llano) es de 3,92 c€/kWh. Es importante que el parque se encuentre en un buen emplazamiento para aprovechar óptimamente el recurso y garantizar el máximo factor de capacidad. Por otra parte, la eólica marina (offshore) tiene un coste de 8,45 c€/kWh. La energía termosolar tiene un coste de 18,53 c€/kWh, valor que puede descender gracias a la fabricación de diversas plantas. En el caso de la tecnología fotovoltaica, el coste es de unos 20,2 c€/kWh, con tendencia a disminuir significativamente. La energía eólica constituye un ejemplo de una EE RR que, desde 2007, puede subsistir sin apenas ayudas oficiales.

922


Introducción Es perfectamente conocido que uno de los principales límites al desarrollo e implantación de las energías renovables es su coste económico. Aunque conviene destacar que este aspecto no es únicamente exclusivo de las energías renovables, consideradas habitualmente como caras, sino de todas aquellas fuentes energéticas alternativas a las actuales. Sin ir más lejos, los hidratos de gas, auténticos almacenes de gas natural localizados en los subsuelos oceánicos, pueden quedarse sin explotar si no se encuentran tecnologías económicamente viables. Así pues, ello es un inconveniente al que deben enfrentarse las energías renovables: un mayor coste económico, comparado con el de las tecnologías convencionales, motivo, en muchos casos, más que suficiente para rechazarlas de pleno. Socialmente parece aceptado que el coste económico de las energías convencionales, completamente desarrolladas y contrastadas, ha tocado techo y no aumenta con el tiempo, mientras que en el caso de las energías renovables, desconocidas muchas de ellas por la mayoría de la sociedad, el coste económico es muy elevado y, en el mejor de los casos, se estabiliza, a medida que pasa el tiempo. A todo ello debe unirse que, en muchas ocasiones, en las energías convencionales no se internalizan todos los costes que llevan asociados (básicamente los

impactos ambientales). La Figura 53.1 intenta explicar esquemáticamente la percepción de la relación de costes entre las energías convencionales y las renovables con el tiempo. Una comparación más justa y acertada sería aquella que equiparase todas las tecnologías en igualdad de condiciones, es decir, considerando que todas se encuentran totalmente desarrolladas y demostradas, y que todos los costes que a ellas están asociados se encuentran internalizados. Para comparar costes de generación de electricidad, los estudios más concienzudos emplean el coste normalizado de la electricidad generada, también conocido como LEC (Levelized Electricity Cost), en el que se incluyen todos los costes a lo largo del ciclo de vida de las diversas tecnologías. (Nota: se toman igualmente los siguientes valores: interés del dinero del 8% y tasa de inflación del 3,5%) Sin embargo, para agilizar los análisis y evitar complicaciones, como los sistemas de valoración de los parámetros ambientales, este libro no los tiene en cuenta. En un futuro no muy lejano, el completo desarrollo y experiencia en las tecnologías de las energías renovables ─además, considerando que no hay coste del combustible ni impactos ambientales severos durante su explotación─ hará que tengan un coste económico menor que el de las conven-

Figura 53.1. Percepción actual del coste económico de las energías convencionales y las renovables.

Costes de generación de electricidad a partir de las energías renovables

923

Figura 53.2. Perspectiva futura del coste económico de las energías convencionales y las renovables.

cionales, sobre todo teniendo en cuenta que se encarecerá la extracción de los combustibles a la vez que paulatinamente irán disminuyendo estos recursos. En la Figura 53.2 puede observarse cómo se prevé la evolución de los costes económicos de las energías renovables y de las convencionales en el futuro, a partir del tiempo real, o actual, tR. Actualmente, el peso preponderante en la generación de energía útil lo tienen las energías convencionales. En el futuro esta tendencia tiene que ir a la baja a base de promocionar las energías renovables. Por ejemplo, en el caso de las centrales de ciclo combinado operando con gas natural, se puede considerar que el LEC asociado irá en aumento, puesto que el combustible cada vez será más caro y su extracción también será más complicada. Además, no hay que olvidar que todos los combustibles fósiles dependen de las condiciones sociopolíticas del momento. Sin ir más lejos, en el caso del gas natural ─combustible del que España es dependiente del exterior─ desde el año 2003 hasta 2006 el precio ha sufrido un incremento del 19% anual. Otro caso a destacar es el de la energía nuclear. Por una parte existe una corriente favorable a esta tecnología a causa de su elevada densidad energética y, sobre todo, por su nula emisión de GEI durante el periodo de explotación de la planta, lo que permite, en este sentido, cumplir con los compromisos del Protocolo de Kyoto por lo que al cambio climático se refiere. Aun así, también existe la co-

rriente desfavorable que desaconseja su utilización basándose en los siguientes criterios: • •

• • •

• •

Elevado coste económico de inversión. Limitación sustancial del recurso, lo que hace que resulte una tecnología poco sostenible. Requisitos de seguridad muy exigentes. Gestión y tratamiento de los residuos generados. Transferencia de tecnología muy limitada, lo que aumenta la dependencia con aquellos países que tienen el recurso. Dificultad de regulación. Desmantelamiento de las centrales.

Lo que sí parece claro es que en un mix de generación de energía eléctrica, es decir, con una contribución conjunta de energías convencionales y renovables, el papel que jugarían las tecnologías con un moderado coste de explotación y que consumen recursos limitados ─como sería el caso de la energía nuclear─ sería el de cubrir la demanda energética durante los periodos de mayor consumo, aunque este aspecto se cumpliría mejor cuanto mayor fuese la potencia instalada de estas plantas. La funcionalidad de las actuales centrales generadoras de electricidad se establece de la siguiente manera: •

Centrales de fondo: nucleares y alguna térmica.

924 • •


De “día” centrales de ciclo combinado y térmicas. En horas punta: hidroeléctricas.

En los siguientes apartados se muestran los costes económicos sin considerar los costes medioam-

bientales que se derivan de las diversas tecnologías de generación de energía eléctrica considerándolas a todas suficientemente desarrolladas, en la situación actual y en el horizonte del año 2040, y referidas a la península Ibérica.

Formación de costes para la generación de electricidad Como se pondrá de manifiesto en todos los casos que se desarrollarán a lo largo de esta Parte, las energías renovables tienen, a medio plazo, mayor posibilidad de ganar la partida desde el punto de vista del análisis económico. La Tabla 53.1 muestra la tendencia de los dos componentes principales del coste. Es evidente que si a largo plazo (entre 30 y 40 años) la incidencia de la inversión se reduce de manera importante, las EE RR van a ser muy rentables teniendo en cuenta que el principal componente del coste de operación, el combustible, siempre es gratuito y no existen cargas ambientales. Para analizar el coste es preciso deslindar el coste de inversión del de explotación. El primero, la inversión, es lo que cuesta la instalación de la planta generadora y la forma en que esta se paga y en cuantos años, lo que se denomina coste de amortización. Lógicamente se generan unos intereses que se suman a la inversión. El coste de explotación tiene que ver con: • •

El precio del combustible, referido al PCI. El rendimiento de la planta. Por lo que hace referencia al coste de explotación, el rendimiento de la instalación es fundamental en una planta convencional (una generación de electricidad con un motor a GN suele tener un ratio de transformación del 42%, mientras que si se usa un ciclo combinado el rendimiento alcanza el 54%, es obvio que el ahorro de combustible es importante). Sin embargo, en el caso de una instalación a partir de EE RR, el hecho de

• • •

que el rendimiento sea del 35%, como el de un aerogenerador, o del 17% en una central termoeléctrica, no afecta al “combustible”. En todo caso se incrementará la partida de inversión. El coste de operación: mano de obra, costes ambientales, mantenimiento, paradas, etc. Factor de capacidad de la planta. Cargas y pasivos ambientales.

La Tabla 53.2 muestra una tabulación donde se lleva a cabo una simulación del precio final de la electricidad generada en función del precio del combustible, para una central de ciclo combinado de gas natural con dos escenarios del precio del gas. En las instalaciones de generación de electricidad a partir de combustible fósil, el coste más importante, y de manera destacada, es el del combustible. En la Tabla 53.2 la columna A muestra los precios de la electricidad de una planta de ciclo combinado a partir del coste del gas natural en 2006. Una variación del coste del gas natural, en el ejemplo ─columna B─ de la tabla se ha supuesto un aumento del 40%, presupone un incremento del precio de la electricidad del 34%. Otro factor interesante a resaltar es que la incidencia del precio del combustible sobre el precio final de la electricidad es del orden del 80%. La Tabla 53.3 muestra la comparación entre una planta de ciclo combinado y otra de la misma potencia nominal pero termosolar, de espejos parabólicos, a precios de 2007. La última columna de esta tabla corresponde a la misma central termosolar a

Tabla 53.1. Evolución de los componentes del coste de la electricidad en el tiempo. Fuente de energía

INVERSIÓN

OPERACIÓN

Combustibles fósiles

CP: bajo

LP: se mantiene

CP: alto

LP: muy alto

Energías renovables

CP: alto

LP: desciende

CP: muy bajo

LP: muy bajo

CP: Corto Plazo. LP: Largo Plazo

925

Costes de generación de electricidad a partir de las energías renovables Tabla 53.2. Evolución del coste de la electricidad según el precio del combustible.

Potencia instalada Inversión Periodo de amortización Interés del capital

A

B

400

400

200.000.000

200.000.000

€

25

25

Años

MW

8%

8%

Cuota de amortización

18.523.589

18.523.589

€/año

Generación (diseño)

3.504.000

3.504.000

MWh/año

90%

90%

3.153.600

3.153.600

Tiempo real de operación Generación real Autoconsumo Generación para la venta

7%

7%

2.932.848

2.932.848

MWh/año MWh/año

Incidencia inversión

6,32

6,32

€/MWh

Precio del combustible

25,0

35,0

€/MWh

Rendimiento de la planta Energía térmica Coste del combustible Coste de operación Total coste explotación

51%

51%

6.183.529

6.183.529

MWh/año

154.588.235

216.423.529

€/año

7.690.000

7.690.000

€/año

162.278.235

224.113.529

€/año

Incidencia explotación

55,33

76,41

€/MWh

Coste total (bruto)

61,65

82,73

€/MWh

6,16

8,27

c€/kWh

85,5%

89,2%

Coste total (bruto) Incidencia del combustible

Tabla 53.3. Comparación del coste de la electricidad: sistema convencional y termosolar.

Potencia instalada Inversión Periodo de amortización Interés del capital

Ciclo combinado

Termosolar

Termosolar+

400

400

400

200.000.000

828.764.136

1.077.393.377

€

25

25

25

Años

MW

8%

8%

8%


18.523.589

76.758.431

99.785.961

€/año


3.504.000

924.000

2.000.000

MWh/año

Tiempo real de operación Generación real Autoconsumo

90%

25%

57%

3.153.600

924.000

2.000.000

MWh/año

7%

8%

8%

2.932.848

850.080

1.840.000


6,32

90,30

54,23

€/MWh


25,0

0

0

€/MWh

6.183.529

0

0

MWh/año

154.588.235

0

0

€/año

7.690.000

4.000.000

5.000.000

€/año

162.278.235

4.000.000

5.000.000

€/año

Generación para la venta

Rendimiento de la planta Energía térmica Coste del combustible Coste operación Total coste explotación

MWh/año

51%


55,33

4,71

2,72

€/MWh

Coste total (bruto)

61,65

95,00

56,95

€/MWh

Coste total (bruto)

6,16

9,50

5,69

c€/kWh

85,5%

0,0%

0,0%

Incidencia del combustible

926


la que se ha añadido un sistema de almacenamiento de calor para duplicar las horas de suministro de energía. El caso de la Tabla 53.3 supone, para realizar un ejemplo, que la potencia instalada es la misma. En lo sucesivo, y a excepción de las centrales nucleares, las potencias instaladas son reducidas, como corresponde a un modelo de generación distribuida y a las particularidades de las EE RR. Como se verá en cada caso las potencias habituales oscilan entre 50 y 150 MW. La planta termosolar está garantizada para trabajar unas 2.200 horas al año. En el momento en que se diseña un sistema de almacenamiento a base de sales fundidas, para que pueda funcionar más horas al año, alrededor de 5.000 horas, las cifras cambian radicalmente (Termosolar+, en la Tabla 53.3). Los expertos indican que este tipo de central térmica llegará a funcionar las mismas horas que una central térmica convencional, con lo que el precio de la electricidad será inferior. De acuerdo con la legislación vigente emanada del RD 661/2007 que regula y establece los precios de la generación de electricidad en régimen especial, a la energía termosolar se le otorga una importante prima durante los veinte primeros años de funcionamiento, y algo menor en los sucesivos, así que, en la actualidad, una planta de este tamaño ya sería rentable. En plantas de menor tamaño (hasta ahora, julio 2009, no están autorizadas las

plantas de más de 50 MW), el RD 661/2007 autoriza la combustión del gas natural hasta un 12% de la potencia en los periodos de nubosidad. Este valor se juzga insuficiente, pues sería conveniente que durante unos años, hasta que el sistema de sales fundidas no esté consolidado, las plantas termosolares pudieran funcionar 24 horas al día. Por otra parte, la experiencia y sobre todo la producción en serie de este tipo de centrales harán que, en poco tiempo, los costes de instalación desciendan en picado.

COSTE DE GENERACIÓN Y PRECIO DE VENTA DE LA ELECTRICIDAD Según la patronal eléctrica UNESA, el precio medio de venta del kWh, en 2008, fue de 65,9 €/ MWh o 0,066 €/kWh o 6,6 c€/kWh. La Tabla 53.4, según la misma fuente, muestra los costes de generación de la electricidad de acuerdo con las diversas tecnologías. Contrariamente a lo que acontece con el coste de los carburantes que aumentan o bajan los precios de venta en función de la cotización del barril de petróleo, el precio de la electricidad ha ido descendiendo en los últimos años, hasta llegar al absurdo de que ha de estar subvencionada (de ahí una de las causas del déficit tarifario). Volviendo a los números rápidos, con fines simplemente didácticos, un consumo medio de 5.000 kWh/habitante y año al precio medio indicado de 0,066 €/kWh,

Tabla 53.4. Déficit/beneficio en los diversos sistemas de producción de electricidad en 2008. Coste generación

Precio medio venta

Déficit

c€/kWh

c€/kWh

c€/kWh

Ciclo combinado GN

10,25

6,60

-3,65

Energía nuclear

5,04

6,60

1,56


6,24

6,60

0,36

Central de carbón

10,56

6,60

-3,96

Otras térmicas

16,0

6,60

-9,44

Tabla 53.5. Precio medio ponderado de la generación de electricidad en 2008.

c€/kWh

% energía

c€/kWh

Ciclo combinado GN

10,25

24%

2,41

Energía nuclear

5,04

18%

0,89


6,24

8%

0,53

Central de carbón

10,56

27%

Coste de generación ponderado

2,85 6,68

927


supone un gasto de 0,9 €/persona y día; cualquier persona gasta más en telefonía. La tarifa eléctrica es un concepto realmente complicado y tiene muchas variables, por ejemplo, a baja tensión (cuando el voltaje es inferior a 1.000 V), o a alta tensión (cuando es mayor de 1.000 V). El coste de un suministro “a tarifa” se calcula sumando cuatro elementos: •

• • •

El “factor de potencia” (o tarifa de acceso a la red, en función de la potencia contratada). El consumo real de energía. Complementos (reactiva y discriminación horaria). Impuestos (impuesto eléctrico e IVA).

de producción, establece el precio medio ponderado de generación de electricidad. Las cifras que aparecen en la Tabla 53.4 difieren algo de los costes calculados por estos autores. La mayor diferencia se aprecia en el caso del ciclo combinado y ello se debe a los avatares del precio del gas en el año 2008. El resto se puede atribuir al margen de beneficio. Otra manera de analizar los costes de producción lo constituye el gráfico de la Figura 53.3 que desglosa, para cada una de las centrales accionadas con combustibles fósiles: • • • •

El coste del combustible. El coste de explotación. El coste de amortización. El coste total de generación.

La Tabla 53.5, a partir de los costes de generación unitarios y del peso específico de cada sistema

Figura 53.3. Estructura de costes de generación de electricidad, según tipo de central.

Costes económicos actuales de las energías renovables A partir de los datos deducidos de la Tabla 53.5 y siguientes, y sin tener en cuenta los costes de eliminación de CO2, se obtiene un coste de referencia de 6,68 c€/kWhe para el mix de 2008, o bien de 7,71 si no se usara carbón. Este coste será el que se aplicará para comparar a todas las tecnologías de generación de energía eléctrica; de esta forma será mucho más realista la comparación entre todas ellas. Aún así, es importante tener en cuenta que,

para previsiones futuras, el coste de eliminación de CO2 irá aumentando considerablemente. Por lo que se refiere a las centrales que operan con tecnología de ciclo combinado con gas natural, se debe valorar que, aunque actualmente ─y a causa de su consolidación en el mercado energético─ sus costes sean menores que las tecnologías renovables, en el futuro la tendencia será opuesta si se tiene en cuenta el aumento del coste de un

928


recurso limitado ─gas natural─ y sometido a las fluctuaciones del mercado, y la internalización de los impactos ambientales causados por los procesos de operación de las plantas. En este sentido no sería descabellado pasar de los 6,68 c€/kWhe expuestos anteriormente hasta prácticamente 15 o 20 c€/kWhe en el horizonte de 2040.

En contrapartida: •

•

El coste resultante se halla reflejado en la Tabla 53.2 (columna B).

LOS COSTES DE REFERENCIA. EL CICLO COMBINADO

LOS COSTES DE REFERENCIA. LAS CENTRALES NUCLEARES

Las centrales de ciclo combinado y las nucleares, así como las de carbón, son la base del actual sistema eléctrico. Por ello se ha querido empezar por justificar el coste de generación ya que debe ser un punto de referencia. Las centrales de producción de electricidad a partir del ciclo combinado de gas natural se han extendido desde 2000 por las siguientes razones: • • • •

El gas natural se halla sometido a grandes oscilaciones de precio (por ejemplo, en 2008 estuvo al alza, mientras que en 2009 ha ido a la baja). Hay emisión de óxidos de nitrógeno.

En relación a las centrales nucleares de fisión debe tenerse en cuenta que los requisitos de seguridad y la limitación del recurso energético, entre otros aspectos, repercuten en el coste económico, lo que hace que este resulte tan moderado. Los costes económicos de la tecnología de fisión vienen determinados, entre otros, por los siguientes parámetros:

Son instalaciones que requieren un capital reducido. El montaje y la puesta a punto son rápidos. Existen diversos proveedores para el suministro del combustible. La emisión de CO2 por unidad de energía es muchos más favorable que las térmicas de carbón.

•

•

Costes de inversión. Para cumplir con los mínimos requisitos de seguridad exigibles pueden llegar a ser de hasta 3.000 €/kWe. Costes de operación y mantenimiento. Se ha calculado que pueden ser incluso superiores que el propio recurso energético.

Tabla 53.6. Coste de referencia de la electricidad de origen nuclear. Potencia instalada

950

MW

2.090.000.000

€

Periodo de amortización

40

Años

Interés del capital

8%

Inversión

Cuota de amortización Generación (diseño) Tiempo real de operación Generación real Autoconsumo Generación para la venta

174.384.172

€/año

8.322.000

MWh/año

90% 7.489.800

MWh/año

8% 6.890.616

MWh/año


25,31

€/MWh

Rendimiento de la planta

37%

Total coste explotación

134.070.421

€/año


19,46

€/MWh

Coste total (bruto)

44,76

€/MWh

Coste total (bruto)

4,48

c€/kWh


La Tabla 53.6 establece los principales parámetros de referencia para calcular el coste de generación de electricidad procedente de una central nuclear. De acuerdo con la Figura 53.3, el 42% corresponde a explotación y combustible. Este último representa el 12% del total, es decir, 5,37 €/MWh, por lo que multiplicar el precio por cuatro representaría un incremento del 10% del kWh generado. Dentro de este 12%, el desglose de costes es el siguiente: • • • •

45% uranio (en 2007, el kg de UO2 costaba 1.232 €). 13% fabricación. 38% enriquecimiento. 4% conversión.

Para que la energía nuclear resulte sostenible, debería cumplir los siguientes requisitos: •

•

Reducción drástica de la generación de residuos radiactivos, activos durante prolongados centenares o miles de años. En este sentido, los reactores de tercera generación pueden conseguir un grado de quemado superior al 50%. Por el momento los residuos 239Pu, 237Np y 240Pu, son almacenados provisionalmente en piscinas refrigeradas, en las propias centrales. En unos 30 años la radiación gamma (la más peligrosa) producida por los radionúcleos de corta vida es la que se produce y absorbe en las piscinas, no representa problema. La radiación alfa, que se prolonga por miles de años, es mucho más fácil de controlar en repositorios ubicados en formaciones geológicas adecuadas. Los reactores de fisión actuales, los denominados de segunda generación, presentan un aspecto del combustible gastado muy parecido al nuevo. Dentro de las vainas se halla una cantidad importante de uranio enriquecido al 1,5% que, eventualmente, podría reutilizarse, puesto que en el primer uso no se alcanzó a extraer un 10% de su potencial energético. Incremento en el nivel de seguridad pasiva (derivada de las leyes de la física, con independencia de operadores y dispositivos) de las plantas. Este aspecto se halla especial-

• •

929

mente potenciado en las centrales de tercera generación. Control de los riesgos de proliferación. Resolución del problema de la escasez de recursos, en especial del 235U. También hay que saber que el 239Pu se usa como combustible en algunos tipos de reactores nucleares (reactores ligeros). De todas maneras, una de las esperanzas, a largo plazo, es la de poder emplear el 232Th, el elemento radiactivo más abundante de la naturaleza. El problema técnico es que para ser fisionable (transmutarlo a 235U) es preciso ser bombardeado con neutrones de alta energía.

Es obvio que España, como la mayoría de los países con energía nuclear, es dependiente del exterior. Así, en 2007, Enusa suministró a las centrales eléctricas españolas un total de 140 toneladas de uranio con distintos grados de enriquecimiento, de las que un 30% procedía de Canadá, el 24% de Rusia, el 17% de Australia, el 11% de Níger, el 8% de Uzbekistán, el 6% de Namibia y el 4% de Chequia. En 2008, a estos suministradores se sumó Sudáfrica. En comparación con los combustibles fósiles convencionales hay que razonar que el 50% del combustible nuclear procede de países con una gran estabilidad económica y política. En junio de 2006, el Gobierno español aprobó la construcción de un repositorio ATC: Almacén Temporal Centralizado, cuyo emplazamiento está por determinar, para albergar 6.700 toneladas que equivalen a los residuos de alta actividad producidos por todas las centrales españolas a lo largo de 60 años. Está previsto instalar, en el mismo emplazamiento, un centro tecnológico sobre técnicas de gestión avanzada de los combustibles gastados, que permita la separación y transmutación de los residuos de periodo de vida largo. Con el tiempo, el coste de las centrales nucleares no se prevé que pueda variar mucho, básicamente por las siguientes razones: •

El precio del combustible de fisión se espera que permanezca razonablemente estable, si bien con ligera tendencia al alza (a partir de 2000, el precio se multiplicó por cinco, pero su incidencia en el coste es soportable). Es sabido que no existen recursos de uranio suficientes para mantener la energía

930

•

•

•

•

•


nuclear (en función del ciclo 238U/239Pu) con solo reactores térmicos. Se espera en un futuro poder utilizar el ciclo 232Th/233U, de esta manera se conseguirá la sostenibilidad nuclear. El 50% de las reservas de uranio se concentran, por este orden, en Australia, Kazajistán y Canadá, países políticamente estables. Las nuevas centrales, las de tercera generación, serán sin duda más caras (también mayores) pero más eficaces y, por descontado, más seguras. Las centrales de tercera generación disponen de un reactor EPR (European Pressurized Reactor). Consumen un 15% menos de uranio y producen un 30% menos de residuos radiactivos. El tiempo de vida estimado será mayor. Todo ello contribuirá a que el precio final sea inferior. El RD 40/2009 va a determinar el coste de gestión de los residuos radiactivos, así como del combustible gastado y el futuro desmantelamiento de la central, lo que hará incrementar el precio de operación, del orden de 0,31 c€/kWh.

A pesar de que Francia produce el 79% de su electricidad con reactores nucleares, está construyendo un primer reactor en la nueva central de Flamanville (Bretaña) de 1.600 MW con un coste, aproximado, de 2.100 €/kW (si bien parece que el coste final se acercará a los 2.500 €/kW), lo que unido a su tiempo estimado de vida útil (60 años), y avalado por la experiencia francesa en este campo, proyecta un coste del MWh muy atractivo, que estos autores emplean más adelante. La planta está prevista que entre en servicio en 2012, después de cinco años de construcción. En enero de 2009, el gobierno galo dio el permiso para la construcción de un segundo reactor en Flamanville, de la misma potencia, pero esta vez de tercera generación, que debe entrar en funcionamiento en 2017. Residuo nuclear o recurso

El modelo francés de gestión del combustible gastado debería seguirse. Francia no lo considera un residuo (cuyo destino sería el almacenamiento geológico profundo, de gran complejidad química

y cuyas consecuencias a largo plazo no son bien conocidas) sino un producto radioactivo valioso, del que se pueden extraer nuevos combustibles nucleares e isótopos radioactivos de interés industrial. Ello abre una vía de investigación muy interesante para el aprovechamiento energético de la fatídica carga nuclear de miles de ingenios nucleares que yacen en los depósitos de numerosos países del mundo. Es previsible que los reactores térmicos de tipo evolutivo, los llamados de tercera generación: de agua a presión o en ebullición, tengan un desarrollo creciente en el mundo. En concreto a estos son los que apunta el modelo que se plantea en la presente obra. Cuando los actuales reactores lleguen a su fin, se deberían sustituir por centrales nucleares de tercera generación. En estos el combustible gastado no será almacenado de forma definitiva en depósitos geológicos subterráneos profundos, sino que permanecerán en la central a la espera de su reelaboración (separación, trasmutación y conversión en combustible nuclear avanzado). Las autorizaciones de las centrales nucleares, en España, se renuevan cada diez años. La más antigua, de las que se hallan en funcionamiento, Santa María de Garoña (de 466 MW), debería renovar su permiso en julio de 2009, o cerrar (habrá estado en funcionamiento 40 años). Desde el punto de vista de la potencia instalada, un 0,5% del parque nacional, es irrelevante pero el Gobierno debe tomar una decisión sobre las demás, cuyos vencimientos, como Almaraz, acaecerán a partir de junio de 2010. Una de las características de las centrales nucleares es que pueden prolongar su vida útil más allá de lo que han estado diseñadas. En EE UU, más de 50 centrales nucleares han obtenido autorización para prolongar su vida hasta los 60 años de su puesta en marcha. Energía nuclear de fusión

Una esperanza científica y técnica lo constituye la fusión nuclear (el proyecto ITER: International Termonuclear Experimental Reactor). A juicio del estado de la tecnología, desde la perspectiva de 2009, tan lejano como algunas energías renovables que se apuntan en esta obra. Una central de fusión funciona con isótopos del hidrógeno, y para gene-


rar la misma energía que una de fisión convencional precisa cien veces menos de combustible. Por tanto, desde la óptica de la sostenibilidad y seguridad ambiental es una esperanza, si bien, a juicio de estos autores, antes se resolverán los inconvenientes que presentan muchas EE RR que los grandes retos de las centrales de fusión nuclear. Frente a las voces que se alzan en contra del extraordinario coste de esta investigación, hay que decir que el monto total de la inversión prevista equivale al coste del consumo de energía de un solo día en todo el mundo. El 232Th es un elemento abundante en la naturaleza. Su posible uso como combustible nuclear permitiría la obtención de un combustible fisionable, el 233U, seguramente para cientos de miles de años. Para ello es preciso hallar la fuente accesible y barata de producir neutrones de alta energía. Una de las esperanzas del ITER es que funcione, además de como fuente de energía, como generador de combustibles nucleares. Para esta última tarea los elementos fundamentales son el litio y el torio. El primero emite protones y se transforma en tritio (isótopo del hidrógeno fundamental para la reacción nuclear de fusión) y el segundo, bombardeado con neutrones de alta energía, da lugar a un isótopo fisionable del uranio.

MATRIZ ENERGÉTICA SOSTENIBLE EN EL TIEMPO De la Tabla 53.5 se deduce que el precio de referencia actual de generación de electricidad oscila alrededor de 6,68 c€/kWh. Desde un punto de vista pragmático, para fomentar la inversión de las EE RR es obvio que debe recurrirse a las ayudas. Por esto el PER (Plan de Energías Renovables) reconoce que las EE RR requieren ayudas públicas, tanto en la inversión como en la operación, circunstancia regulada por el RD 436/2004 y el RD 661/2007. El importe total de las primas a la producción previstas para el periodo 2005/2010 asciende a 4.956 M€, de los que más de la mitad corresponden a la energía eólica. Para establecer una matriz energética sostenible en el tiempo, se deben tener en cuenta los siguientes conceptos: •

Invertir dinero en I+D+i en el campo de las EE RR, no despreciando ninguna de ellas.

•

•

•

931

Las EE RR que hayan alcanzado un nivel comercial a gran escala, como acontece con la eólica terrestre, no deberían recibir primas a la producción, a partir de un periodo de tiempo preestablecido. El mix de generación de energía eléctrica debe ser óptimo desde el punto de vista económico. El impacto ambiental provocado por el conjunto (mix) también debe ser mínimo.

A continuación se especifican los costes económicos actuales para la generación de electricidad a partir de las siguientes energías renovables: biomasa, geotérmica, undimotriz, eólica onshore (terrestre), eólica offshore (marina), termosolar y fotovoltaica con seguimiento. En algunos estudios también se establece el periodo de retorno energético o EPBT (Energy Payback Time). El EPBT se define como el tiempo que tarda un sistema en devolver la energía empleada a lo largo de su ciclo de vida, incluyendo desde la fabricación de los componentes hasta el desmantelamiento de las centrales energéticas. Los sistemas convencionales se caracterizan por un bajo periodo de retorno energético, mientras que las energías renovables presentan valores mayores, desde los pocos meses en el caso de la energía eólica hasta algunos años que puede presentar la energía fotovoltaica en el peor de los escenarios.

ELECTRICIDAD A PARTIR DE BIOMASA El espíritu de esta obra postula que la biomasa tendría que dedicarse a la producción de biocarburantes, mientras que las EE RR se deberían aplicar a la generación de electricidad. No obstante, debido a la importancia y a la amplitud del tema, se analizará la producción de electricidad a partir de: • • •

Residuos sólidos urbanos (RSU). Biomasa forestal. Desechos agrícolas.

El hecho de que se elijan estos residuos se debe a un problema en la dispar legislación. Los RSU están considerados residuos y, a la hora de la conversión energética, se les aplica el RD 653/2003 relativo a la incineración de residuos peligrosos (lo que supone un encarecimiento en la gestión), mientras que a los otros dos no les es de aplicación.

932


No obstante, desde el punto de vista económico, la central de generación de electricidad recibe dinero cuando procesa RSU, mientras que paga cuando incinera los otros dos, si bien en diferente cuantía. Si no se lleva a cabo una labor de planificación o de tala controlada, el empleo de la biomasa como combustible puede resultar un problema, ya que en muchos sitios su quema es superior a su reposición, lo que agrava los problemas de desertificación y pérdida de biodiversidad. Otra posibilidad es utilizar la biomasa para la producción de combustibles líquidos, como metanol o etanol. La tecnología seleccionada para valorizar energéticamente la biomasa es la incineración con producción de vapor y generación de electricidad en ciclo de Rankine, puesto que es la más usada. En la Parte VI de esta obra se exponen otros sistemas de conversión energética, como la gasificación o la pirólisis. Para poder determinar el coste de la tecnología de generación eléctrica con biomasa se han tenido en cuenta los siguientes costes: inversión en equipamiento, operación y mantenimiento,

y combustible. El coste económico viene determinado por la localización geográfica y por el tipo de combustible empleado, por lo que en este aspecto debe considerarse el coste del cultivo, y el de explotación y transporte. También hay que tener en cuenta el coste del almacenamiento de la biomasa. Al emplear la biomasa como combustible se emite CO2 a la atmósfera, aunque su contribución al calentamiento global es prácticamente nulo, ya que el CO2 emitido en la combustión se compensa con el que ha sido absorbido durante el proceso de fotosíntesis de las plantas. Existe, sin embargo, una producción neta de CO2 debido al consumo energético de la recogida y transporte de la biomasa que, en muchos casos, limita a unas decenas de kilómetros el radio de extracción y transporte de la biomasa. Ello se traduce en plantas de biomasa de menor tamaño y, consecuentemente, se reduce la rentabilidad de la instalación. La Tabla 53.7 compara el coste de generación para tres centrales térmicas de la misma potencia,

Tabla 53.7. Coste comparado de generación de una central de biomasa. RSU Potencia instalada Inversión

B. forestal

R. agrícolas

30

30

30

MW

54.000.000

39.000.000

39.000.000

€ Años


25

25

25


8%

8%

8%

5.001.369

3.612.100

3.612.100

€/año

262.800

262.800

262.800

MWh/año

Cuota de amortización Generación (diseño) Tiempo real de operación

88%

88%

88%

231.264

231.264

231.264

8%

8%

8%


212.763

212.763

212.763

MWh/año

Incidencia de la inversión

23,51

16,98

16,98

€/MWh

Generación real Autoconsumo

MWh/año

PCI útil combustible

2,33

3,14

2,09

MWh/t


-25,0

27,0

20,0

€/t

Rendimiento de la planta Energía térmica Cantidad de combustible

20%

20%

20%

1.156.320

1.156.320

1.156.320

MWh/año

497.218

368.309

552.464

t/año

-12.430.440

9.944.352

11.049.280

€/año

Coste operación

9.806.350

6.002.635

6.602.898

€/año

Total coste de explotación

Coste del combustible

-2.624.090

15.946.987

17.652.178

€/año

Incidencia de la explotación

-12,33

74,95

82,97

€/MWh

Coste total (bruto)

11,17

91,93

99,94

€/MWh

Coste total (bruto)

1,12

9,19

9,99

c€/kWh

< ; !

5,36

11,82

10,75

c€/kWh


cada una de ellas alimentada con el tipo de biomasa indicada. Como se observa en la Tabla 53.7, la potencia eléctrica instalada es reducida en comparación con otras energías renovables. Ello tiene que ver con el aprovisionamiento, transporte y almacenamiento del combustible (las plantas que aparecen en la tabla suponen un consumo diario de 1.500 toneladas o bien del orden de 75 camiones al día, lo cual da lugar a un impacto ambiental considerable). Plantas de mayor tamaño no resultarían ecológicamente sostenibles. En el caso de los RSU, el coste de inversión, a igualdad de potencia instalada, es un 38% más caro. Ello se debe a que a estas plantas se les exige un sistema de depuración de gases mucho más eficiente que las otras. También, en el caso del coste de explotación, el modelo de gestión (aditivos, tratamiento de cenizas y escorias) resulta más elevado. Como muestra la Tabla 53.7, el coste para la generación eléctrica a partir de biomasa puede oscilar entre 9 c€/kWh para el caso de una planta que obtenga el combustible a precio bajo (entre de 25/30 €/t) y 20 c€/kWh en el caso de que el combustible supere los 40 €/t y los medios de transporte y abastecimiento lo encarezcan todavía más). En este tipo de plantas el coste es muy dependiente de la calidad y precio de la biomasa, así como de la tecnología de conversión energética empleada. En el caso de los RSU, el coste es prácticamente nulo, lo habitual es que sea negativo por el hecho de que la planta cobra dinero por el tratamiento de los residuos. De nuevo las primas ofrecidas por el RD 661/2007 son insuficientes. Así, el sistema más rentable de los que muestra la Tabla 53.7 son los RSU pero ello es competencia municipal y no suele estar al abasto de los inversores privados. Estos pueden participar en los otros dos, pero la rentabilidad, como indica la tabla, es reducida. La generación de electricidad a partir de biomasa a la luz del RD 661/2007

El Gobierno, con su Plan de Energías Renovables (PER 2005-2010), intenta promocionar la generación de energía a través del biogás (los fundamentos teóricos se hallan extensamente de-

933

sarrollados en la Parte VI de esta obra). Tradicionalmente las grandes fuentes de biogás son: •

• • • •

Digestión anaerobia de los fangos procedentes del tratamiento de aguas urbanas residuales: EDAR. Tratamiento de residuos ganaderos, donde destacan los purines de cerdo. Tratamiento de fracciones orgánicas de residuos municipales (FORM). Tratamiento de residuos industriales fermentables. Uso de gas de vertedero.

Solo el último, el gas de vertedero, es de utilización directa, ya que no necesita más que una limpieza para ser introducido en un motor de cogeneración y verter electricidad a la red. Todos los otros sistemas precisan, además de la depuración del biogás, de una instalación previa importante: los digestores anaerobios. Las previsiones del PER, obtener 150.000 tep de energía primaria, se han cubierto ya en 2008 pero solo con el gas de vertedero. La razón está en la política de primas al estímulo de las EE RR que emanan del RD 611/2007 para el fomento de generación de electricidad (también hay que tener en cuenta la Directiva 1999/31/CE que obliga a la desgasificación y tratamiento del gas de vertedero). En resumen, como acontecía en el párrafo anterior, el posible “negocio” queda circunscrito al ámbito oficial, ofreciendo unos incentivos tan reducidos a las actividades privadas que no incitan a la valorización energética. La Tabla 53.8 muestra los precios pagados, en sus modalidades de tarifa regulada (valor fijo en quince años; la cifra que aparece en la tabla es la correspondiente a 2007, la cantidad se actualiza cada año de acuerdo con el IPC) o prima (a la que hay que sumar el precio del pool) y los valores cuando se tiene en cuenta la forma de generar el biogás, según RD 222/2008. Las primas son insuficientes para incentivar la producción de electricidad a partir de biogás de digestor. Así, una planta con digestor para tratar 50.000 m3 de purín y residuos hortícolas puede generar una potencia de 4 MW, pero requiere una inversión de 10 M€. A partir de un vertedero con un rudimentario sistema de desgasificación se puede captar biogás (subgrupo b.7.1). En cambio para obtener gas de

934


Tabla 53.8. Retribución de la electricidad a partir del biogás (RD 661/2007). Valores para los primeros quince años Subgrupo Biogás vertedero

Potencia en kW

Tarifa regulada 8,259

4,368

9,260

7,692

< 500

13,506

10,560

15,843

12,763

> 500

10,004

6,434

11,399

9,869

5,539

3,651

8,609

5,270

b.7.1

Biogás de digestores

b.7.2

Estiércoles y biocombustibles

b.7.3

Prima de referencia

Límite superior

Límite inferior

Valores teniendo en cuenta el sistema de generación (según RD 6611/2007) Subgrupo

Combustible

Biogás vertedero Biogás de digestores

Potencia en kW

Tarifa regulada

Prima de referencia

8,505

4,6679

< 500

13,794

10,885

> 500

10,293

6,769

5,539

3,651

b.7.1 a.1.3

b.7.2

Estiércoles y biocombustibles

b.7.3

digestor (subgrupo b.7.2), algo más rico en metano, hay que llevar a cabo una obra muy importante, los digestores. El incremento de precio no suele compensar la amortización de la instalación (en Alemania, la prima a la electricidad procedente del gas de digestor es muy superior). Para dar una idea de magnitud: una planta capaz de tratar (evaporar) 105.000 t/año de purín, por el sistema de cogeneración con gas natural, precisa una potencia eléctrica de 15 MW (que vierte a la red 112.800 MWh/año), con una inversión de 14 M€. A pesar de penalizar la categoría de estiércoles (subgrupo b.7.3) llevando a cabo una incineración de estos residuos, la rentabilidad es muy superior. Potencial de microgeneración con biomasa

La microgeneración, o generación distribuida, puede definirse como la producción, almacenamiento y distribución de energía a pequeña escala en el mismo lugar donde se encuentra la central energética. No significa que se consuma menos energía, pero sí se consume menos cantidad de la energía suministrada por las compañías eléctricas.

Esta alternativa puede ayudar a lograr los objetivos en relación con el cambio climático, la seguridad de suministro fiable de energía y la escasez de combustible. Una de sus principales ventajas es que minimiza la pérdida energética durante la fase de transporte. Este es un campo con un gran potencial de desarrollo dado que son muchas las posibles instalaciones donde sería aplicable, y sobre todo porque está muy poco introducido en la península Ibérica. En el Reino Unido está dando muy buenos resultados en los hogares donde está funcionando. Además tienen previsto que en el año 2050 el 50% de la demanda sea cubierta con sistemas de microgeneración. La Tabla 53.9 muestra las potencialidades de la microgeneración y minigeneración en diversos establecimientos. Potencial de generación de electricidad a |}

La cogeneración a pequeña escala a partir de biomasa residual puede ser un buen negocio, si se logra generar electricidad de manera permanente y

Tabla 53.9. Potencial de microgeneración y minigeneración a pequeña escala (Fuente: Ingeniería Química). |

|

1 kW

3 kW

5 kW

10 kW

Hogares

Sí

Escuelas

-

Sí

-

-

-

Sí

-

Pequeños hoteles

-

Sí

Sí

Sí

Restaurantes

-

Sí

Sí

-

935


se pueden usar los efluentes caloríficos residuales. Son considerables los residuos que se producen en los tratamientos silvícolas: limpias de los bosques naturales que se realizan para aumentar el rendimiento del bosque y evitar la propagación de incendios, y clareos que se efectúan en los montes repoblados. La eliminación de estos residuos supone en la actualidad un problema que, en la mayoría de los casos, se resuelve con la destrucción in situ, con la considerable pérdida energética. Otras grandes fuentes de biomasa son: • • •

La poda urbana y agrícola. La madera usada (limpia), por ejemplo, la procedente de embalajes, palets, etc. Los cultivos energéticos.

Por lo que hace referencia a la biomasa a usar en un pequeño gasificador dawn-draft, debe cumplir unos mínimos requisitos: • • •

•

•

La humedad contenida en la biomasa debe ser, como máximo, del 20%. Una densidad aparente superior a 120 kg/m3. Un tamaño comprendido entre 10 y 100 mm, con un máximo de biomasa inferior a 10 mm. Un contenido máximo de cenizas del 4%. Cantidades superiores deben someterse a una caracterización de las cenizas para averiguar la cantidad de álcalis que puedan provocar fenómenos de fusión. Una facilidad de fluidificación. Propiedad determinante para evitar la formación de puentes en el interior del reactor. Los parámetros que condicionan esta propiedad están relacionados con la distribución granulométrica y la densidad aparente.

Como se ha comentado existe una amplia variedad de reactores que se utilizan para los procesos de gasificación de biomasa, y su elección obedece principalmente a factores de granulometría y humedad de la biomasa, y de las características requeridas del gas resultante. Hay reactores de lecho fijo, a contracorriente y a equicorriente, de lecho fluidizado, con sistema burbujeante y circulante, que jumto a aspectos de su rápida puesta en funcionamiento, alimentación, características del reactor, limpieza de gases, etc., se han expuesto con cierto detalle en el Capítulo 46 de la Parte VI.

En Asia se han desarrollado gasificadores desde hace más de 30 años y hoy en día se hallan a escala comercial, en tamaños desde los pocos kW hasta los 250 kW, de manera modular, pudiendo llegar fácilmente a 1,5 MW. A efectos de contabilizar la rentabilidad de estas pequeñas aplicaciones de gasificación se ha realizado la Tabla 53.10. Tabla 53.10. Ejemplo de cogeneración por medio de gasificación de biomasa. Funcionamiento anual

7.500

h/año

Biomasa al 20% de humedad

4.043

t/año

PCI biomasa

4.000

kcal/kg

Coste biomasa

40

€/t

Potencia eléctrica generada

649

kW

Energía anual producida

4.869.050

kWh/año

Potencia gases calientes útil

293

kW

Potencia agua caliente útil

516

kW

EXPLOTACIÓN Mano de obra

69.000

€/año

Mantenimiento

20.000

€/año

Fungibles y diversos

16.000

€/año

Electricidad

26.000

€/año

Amortización a quince años

55.000

€/año

Compra biomasa

161.700

€/año

PARCIAL GASTOS

347.700

€/año

0,140

€/kWh

681.667

€/año

Precio venta electricidad (RD 661) Venta energia eléctrica

Hay que añadir que las cifras pueden incluso ser mucho más atractivas si: •

•

El precio de la biomasa es menor, o incluso negativo, debido a que se usa poda urbana que se paga por depositarla en el vertedero. Si se emplean los caudales residuales de gases y agua caliente, existe una prima por eficiencia que puede hacer ascender el precio de venta a los 16 o 17 c€/kWh.

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA La energía geotérmica se obtiene mediante el aprovechamiento del calor interno de la Tierra. Este tipo de energía se manifiesta de diversas formas: energía acumulada en rocas, sistemas hidrotermales de alta temperatura, acuíferos estacionales, etc. Un

936


sistema que se ha implantado en zonas del norte de Europa es el conocido como HDR (Hot Dry Rocks), consistente en la inyección de agua fría, en un ciclo cerrado, hasta alcanzar las rocas calientes en profundidad y obtener vapor en otro pozo que se extrae a la superficie. Esta tecnología emplea una turbina de reacción, con una eficacia resultante de un 30%. En este tipo de tecnología se diferencian los costes de perforación ─que comportan entre un 20% y un 50% de la inversión total de la planta─ y los superficiales, relativos a los equipos de bombeo del fluido geotérmico. Los costes de perforación están directamente relacionados con la potencia térmica a instalar. El coste de generación es inversamente proporcional al gradiente térmico. Con la tecnología disponible hoy en día son interesantes gradientes térmicos superiores a 50 ºC/km. Actualmente se dispone de una tecnología de perforación que permite alcanzar una temperatura de 180 ºC, lo que supone un rendimiento de la planta del 11-12%. Un factor interesante de esta tecnología es que el fluido caliente fluye todos los días del año en idénticas condiciones, lo que permite unos ratios de producción, aunque discretos, muy regulares. Para llevar a cabo realizaciones de este tipo, sería preciso disponer de mucha más información sobre las posibilidades de disponibilidad de esta energía. Tabla 53.11. Coste de generación de una central geotérmica de generación de electricidad. Potencia instalada Inversión

50

MW

200.000.000

€


25

Años


8%

Cuota de amortización Generación (diseño) Tiempo real de operación Generación real Autoconsumo Generación para la venta Incidencia inversión Rendimiento de la planta Total coste explotación Incidencia explotación Coste total (bruto) Coste total (bruto) < ; !

18.523.585

€/año

438.000

MWh/año

85% 372.300

MWh/año

10% 335.070

MWh/año

55,28

€/MWh

12% 12.520.000

€/año

37,37 92,65 9,26 6,89

€/MWh €/MWh c€/kWh c€/kWh

La generación de energía eléctrica a partir del vapor generado en pozos supone un coste entre 6 c€/kWhe y 12 c€/kWhe. Referido a la península Ibérica, la Tabla 53.11 muestra el coste que se halla dentro del espectro que indican otros autores. Prácticamente existen las mismas posibilidades en toda la península, si bien la cuenta de explotación es dependiente de la calidad del vapor extraído (con frecuencia sale acompañado de gases ácidos) y la inversión está supeditada a la profundidad de la perforación. De nuevo las primas ofrecidas por el RD 661/2007 son insuficientes. Otro de los problemas de este RD 661 es que en este apartado, el b.3, además de la geotérmica incluye la undemotriz, la océano-térmica, las mareas y las corrientes marinas.

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA ENERGÍA UNDIMOTRIZ Como se ha indicado en la Parte V de esta obra, la energía undimotriz aprovecha la energía de las olas marinas. Uno de los sistemas de funcionamiento más utilizados consiste en aprovechar la energía de la oscilación vertical de las olas a través de unas boyas que se elevan y descienden sobre una estructura similar a un pistón, donde se instala una bomba hidráulica. Actualmente en España este tipo de energía no se está aprovechando de forma comercial, aunque ya se han empezado a realizar pruebas satisfactorias en zonas costeras de Cantabria, Asturias y el País Vasco, lo que implica que esta tecnología disponga, en breve, de un margen de evolución tecnológica. En Portugal, Noruega y Escocia existen instalaciones de este tipo funcionando a pleno rendimiento, dando muy buenos resultados. Uno de los inconvenientes de esta tecnología es que el coste de transporte de la electricidad a la costa es elevado. En España no hay datos para elaborar una tabla de referencia, no obstante las condiciones marinas del oleaje favorecen, por orden de importancia, a las siguientes provincias: • • • • •

Pontevedra. La Coruña. Lugo. Asturias. Cantabria.


• • •

Guipúzcoa. Vizcaya. Girona.

La tecnología undimotriz tiene actualmente unos costes económicos, extraídos de diversas fuentes, que arrancan con un mínimo de 20 c€/ kWh, en las provincias gallegas que son las más propicias a esta tecnología. La Tabla 53.12 propone una aproximación de la formación de costes, en la mejor de las hipótesis en 2008. Tabla 53.12. Coste para la energía eléctrica de origen undimotriz en 2008. Potencia instalada Inversión Periodo de amortización Interés del capital Cuota de amortización Generación (diseño)

20

MW

80.000.000

€

25

Años

8% 7.424.522

€/año

175.200

MWh/año

Tiempo real de operación

35%


61.320

MWh/año


121,08

€/MWh


12%


4.438.000

€/año


72,37

€/MWh

Coste total (bruto)

193,45

€/MWh

Coste total (bruto)

19,35

c€/kWh

< ; !

6,89

c€/kWh

Es evidente que con una diferencia entre el coste previsto y la ayuda que proporciona el RD 661/2007, pocos van a ser los que desarrollen instalaciones de producción a partir de esta modalidad.

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA ENERGÍA EÓLICA TERRESTRE (ONSHORE) Como es notorio, la electricidad de origen eólico es un ejemplo del que hay que tomar nota para otras aplicaciones de EE RR. Así, si a primeros de 2009, la potencia instalada en España era de 15.578 MW, lo ideal sería ir incrementando esta cifra en pro de la sostenibilidad energética. Paradójicamente el PER ha fijado, para 2010, un objetivo de 20.155 MW que, además, pretende que sea repartida entre la terrestre y la marina (5.000 MW para 2020). A priori, no tiene mucho sentido que

937

el propio gobierno imponga límites al crecimiento de una energía renovable como la eólica, máxime cuando la propia Red Eléctrica Española ha llevado a cabo un estudio en el que se concluye que, sin realizar inversiones significativas, el sistema puede absorber 41.000 MW (lo que equivale, aproximadamente, a los planes de las diversas CC AA). La energía eólica consiste en aprovechar la energía cinética del viento transformándola en trabajo mecánico en un aerogenerador. Las turbinas de eje horizontal, terrestres, se sitúan en lugares elevados para aprovechar mejor la velocidad del viento, además de estar localizadas en zonas de bajas turbulencias para optimizar el rendimiento de las centrales. La energía generada depende de la velocidad del viento (la energía es proporcional al cubo de la velocidad) y de la longitud de las palas (energía proporcional al cuadrado de la longitud). La Figura 53.4 muestra un esquema de los aerogeneradores. Los generadores con una potencia de 2 MW tienen palas de 60 m de longitud y una altura superior a los 100 m. La producción eólica acumulada hasta finales de octubre de 2008 fue de 23.738 MWh. En la hipótesis de que toda la producción eólica hubiera sido reemplazada por un equipo térmico convencional, y en concreto por ciclos combinados, el coste del gas natural necesario para satisfacer esa producción hubiera sido de unos 1.250 millones de euros, y se hubieran emitido a la atmósfera unos nueve millones de toneladas de CO2 adicionales. Es decir, la energía eólica supone un ahorro aproximado de 1.250 millones de euros para el balance energético español con el exterior y una reducción del impacto medioambiental. Tomando, por ejemplo, el día 28 de octubre de 2008, especialmente significativo por su alta disponibilidad en energía eólica, con 6.933 MW de potencia media, el impacto estimado en el precio del pool fue de 14 €/MWh. Es decir, el precio medio del mercado diario, si no se hubiera aportado la energía eólica, habría sido de 82 €/ MWh, en lugar de los 68 €/MWh fijados. Para el desarrollo de la tecnología eólica, al igual que otras energías renovables, se emplea una cierta cantidad de energía a lo largo de su ciclo de vida: fabricación de los componentes, instalación, operación y mantenimiento, y desmantelamiento. Estudios recientes sugieren que el EBPT para la

938


Figura 53.4. Esquema de un aerogenerador (Fuente: Technical Conference on Renewable Energies).

energía eólica onshore oscila entre los tres y los diez meses, siempre dependiendo del emplazamiento y de la potencia de las turbinas. Este periodo de retorno energético se considera el más pequeño que presentan las energías de origen renovable. El Departamento de Energía de Estados Unidos (USDOE) ha desarrollado un estudio en el que ha estimado los costes de los aerogeneradores para diferentes potencias instaladas: 750 kW (diámetro del rotor: 46,6 m), 1,5 MW (66 m), 3 MW (93 m)

y 5 MW (120 m). La altura de cada torre es aproximadamente 1,2 veces el diámetro del rotor. Se ha supuesto que las turbinas pueden trabajar a una velocidad media del viento de 8,5 m/s, y una máxima de 42,5 m/s durante diez minutos. La Tabla 53.13 detalla los costes desglosados para los diferentes componentes de las turbinas según su potencia. De acuerdo a los valores de la Tabla 53.13, los costes de las turbinas de 1,5 MW son los que se aproximan más a los actuales. De la misma tabla

Tabla 53.13. Costes de los componentes de las turbinas eólicas (Fuente: Handbook of energy efficiency and renewable energy). Potencia Componente

750 kW

1,5 MW

3 MW

$

%

$

%

Turbina

101.897

16

247.530

=

255.631

39

562.773

Sistema de control

10.000

2

5 MW

$

%

$

%

18

727.931

21

1.484.426

20

40

1.282.002

37

2.474.260

33

10.200

1

10.490

0,3

10.780

0,1

Torre

66.660

11

183.828

13

551.415

16

1.176.152

15

"

217.869

33

388.411

28

873.312

25

2.458.244

32

(*) Incluye cimientos, transporte, obra civil, ensamblaje de los componentes, conexionado eléctrico y trabajos de ingeniería.


también puede observarse que los costes de los diferentes componentes no aumentan linealmente como lo hace la potencia, sino que lo hacen exponencialmente, excepto en el caso de los sistemas de control, que, lógicamente, se mantienen prácticamente constantes a pesar del aumento del tamaño de los aerogeneradores. A finales del año 2007, la potencia eólica mundial instalada era de 94,1 GW, generando un 1% de la electricidad mundial consumida. Pero ese mismo año 2007, esta tecnología representó casi el 20% de la producción eléctrica en Dinamarca, el 9% en España y en Portugal, y el 6% en Alemania e Irlanda. Un caso significativo es el de Dinamarca, que genera más del 20% de su electricidad mediante aerogeneradores ─más que cualquier otro país del mundo─, siendo en el año 2007 el sexto en producción de energía eólica, a pesar de estar, según datos del World Wind Energy Association, en la posición 56 en cuanto a consumo eléctrico. Aunque, desde el punto de vista del “consumo de combustible”, en las EE RR el concepto de rendimiento no tiene sentido, conviene tener una idea del mismo. Así, la eficacia total de una turbina oscila entre el 45% y el 50%, si bien a efectos prácticos, el rendimiento se fija en 35-40%. Este valor total se obtiene a partir de los siguientes rendimientos parciales: • •

Aprovechamiento de la energía cinética del aire: 60%. Hélice: 85%.

• • •

939

Multiplicador: 98%. Alternador: 95%. Transformador: 98%.

El sistema eólico funciona a partir de una velocidad mínima del viento, actualmente del orden de 4 m/s, pero debe detenerse al alcanzar un máximo. En la Figura 53.5 se observa la curva de potencia de un aerogenerador en función de la velocidad del viento. En el caso de la tecnología eólica es muy importante que el coste asociado a la potencia instalada se vea compensado con la elección de un buen emplazamiento para aprovechar óptimamente el recurso, de forma que pueda garantizarse el máximo factor de capacidad. De acuerdo con la Figura 53.5, el factor de capacidad se incrementa a medida que también aumenta la velocidad del viento. Sin embargo, es cierto que una vez que el viento ha alcanzado la máxima velocidad, la potencia no sigue aumentando, por lo que el factor de capacidad va disminuyendo. En aquellas instalaciones con bajas velocidades de viento aumenta la dependencia con el emplazamiento. Para calcular el coste económico de la generación de electricidad a partir de la tecnología eólica terrestre se deben tener en cuenta los siguientes costes parciales para una vida útil de 25 años: • • •

Coste de inversión: 700-800 €/kWe. Coste de operación y mantenimiento: 1,25 c€/kWhe. Coste del terreno: 0,2 €/kWhe.

Figura 53.5. Curva de potencia de un aerogenerador (Fuente: Technical conference on renewable energies).

940


Además, en el caso del coste de inversión debe diferenciarse si la instalación de los aerogeneradores se efectúa en terreno llano o accidentado. En el caso de los terrenos accidentados debe tenerse en cuenta la dificultad de acceso (mayor coste de transporte) y el menor tamaño de la maquinaria. De todas formas, la evolución de la tecnología permite considerar que en 2040 estará totalmente consolidada. En la Tabla 53.14 se muestra el coste actual de generación de la electricidad con tecnología eólica terrestre. Tabla 53.14. Coste actual de la electricidad generada con tecnología eólica terrestre. Potencia instalada Inversión

50

MW

40.000.000

€


25

Años


8%


3.704.718

€/año

438.000

MWh/año

26% 113.880

MWh/año

1% 112.741

MWh/año


32,86

€/MWh


35%


1.610.000

€/año


14,28

€/MWh

Coste total (bruto)

47,14

€/MWh

Coste total (bruto)

4,71

c€/kWh

Prima regulada (20 años)

7,32

c€/kWh

Los costes detallados en la Tabla 53.14 hacen referencia a emplazamientos de los aerogeneradores en terrenos llanos, donde el coste actual oscila alrededor de 4 c€/kWhe. Si los emplazamientos hubiesen tenido lugar en terreno accidentado, los costes aumentarían ligeramente. El factor que más influye en la rentabilidad es la “calidad” del viento, es decir, la velocidad y sobre todo la cantidad de horas que sopla durante el año. Así, en algunas zonas de España es factible bajar de los 3 c€/kWhe, mientras que en otras puede alcanzar los 10 c€/kWhe. En cualquier caso, considerando ambos escenarios, se demuestra que esta tecnología se encuentra perfectamente desarrollada, como pone de manifiesto el

hecho de que España sea actualmente el tercer país del mundo en potencia eólica instalada. El máximo histórico de producción eólica se alcanzó el 18 de abril de 2008, a las 16:50 horas, con 10.880 MWh, lo que representó el 30% de la demanda eléctrica peninsular. Según la Asociación Empresarial Eólica (AEE), la energía eólica cubrió, en 2008, casi el 11% de la demanda eléctrica. La presencia de esta energía en el mercado supuso un ahorro de 207 millones de euros para el sistema eléctrico (4,5 € de ahorro por ciudadano). La eólica siempre oferta a 0 €/MWh, porque le cuesta lo mismo, con viento, producir que no producir. Además, tiene derecho de acceso preferente. Veinte años de desarrollo eólico en España han servido para transformar una EE RR necesitada de ayudas en una fuente de negocio. Así, la retribución a mercado de la energía eólica depende, fundamentalmente, del precio del mismo. En 2008, el precio promedio del mercado diario fue de 64,43 €/MWh (también los precios mensuales se situaron por encima de países como Francia, Alemania o Países Bajos). En resumen, la situación, para la eólica, es: • • •

Coste bruto de generación: 47,14 €/MWh. Tarifa regulada (RD 661, a 2008): 75,68 €/ MWh. Retribución a mercado (pool más prima RD 661): 85,94 €/MWh.

Ello demuestra que una tecnología puede llegar a ser rentable (de hecho, a partir de 2008, la casi totalidad de la energía eólica se gestiona en el mercado) y, con el tiempo, se pueden reducir las ayudas, o bien destinar las primas a fomentar otras tecnología, menos desarrolladas. Según un estudio de Doloitte para la Asociación Empresarial Eólica, la aportación del sector eólico al PIB, en 2007, fue del 0,35% y se espera que, en 2012, alcance el 0,45 del PIB nacional. Además, entre empleo directo (55%) e indirecto (45%) en 2007 el sector ocupaba a 37.730 personas.

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA ENERGÍA EÓLICA MARINA (OFFSHORE) La tecnología eólica marina también aprovecha la fuerza producida por el viento, aunque en

941


este caso los aerogeneradores están ubicados mar adentro. Su coste de instalación es superior al de la terrestre, aunque su vida útil también es mayor. En conjunto, los costes han disminuido en los últimos años, con lo que el precio de la potencia instalada se está igualando al de otras energías renovables. En el mar, el viento es menos turbulento que en tierra, por lo que los aerogeneradores podrían ser más pequeños para suministrar la misma energía, sin embargo siempre son mayores. Lo que sí debe cumplirse es que los parques offshore se encuentren a unos dos km de la costa, para aprovechar mejor los regímenes de viento, y que la plataforma marina esté a poca profundidad, para ser económicamente más rentables. La Figura 53.6, muestra un típico parque eólico marino danés.

Tabla 53.15. Costes previstos de la electricidad generada con tecnología eólica offshore en la Península Ibérica. Potencia instalada Inversión

100

MW

180.000.000

€


25

Años


8%


16.671.230

€/año

876.000

MWh/año

32% 280.320

MWh/año

1% 277.517

MWh/año


60,07

€/MWh


38%


6.780.000

€/año


24,43

€/MWh

Coste total (bruto)

84,50

€/MWh

Coste total (bruto)

8,45

c€/kWh

< ; !

7,32

c€/kWh

Como puede observarse en la Tabla 53.15, el coste medio de generación de electricidad oscila alrededor de 8,5 c€/kWhe. La cifra es claramente más reducida con el paso de los años y con el afianzamiento de la tecnología de anclaje de los aerogeneradores. Esta cifra es muy dependiente de dos parámetros: • Figura 53.6. Imagen de un parque eólico off-shore (Fuente: Danish Wind Industry Association).

Dinamarca fue el primer país en implantar esta tecnología, y en sus mares se encuentran actualmente los mayores parques eólicos offshore. Otros países que están apostando claramente por esta tecnología son el Reino Unido e Irlanda, cuyo objetivo es poder llegar a suministrar en un futuro no muy lejano el 15% y el 10% de la electricidad, respectivamente. Por otra parte, España, a pesar de ser uno de los principales países en cuanto a potencia eólica onshore instalada, no destaca precisamente por apostar por la tecnología offshore, aunque algunos estudios establecen que sería posible instalar, en la península Ibérica, hasta 25.000 MW de potencia de manera inmediata. Estos mismos autores estiman un coste de inversión actual de 1.600 €/kW.

•

La inversión, que a su vez depende de la profundidad y calidad del fondo marino. Consecuentemente también condiciona el transporte de electricidad hacia la costa. El régimen del viento.

En España, la costa gallega es la que presenta los menores costes de generación a causa de su privilegiado enclave. Muchos expertos coinciden en que Galicia podría abastecerse exclusivamente a partir de la energía eólica.

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA ENERGÍA TERMOSOLAR La energía solar térmica, también conocida como energía termosolar, consiste en el aprovechamiento de la radiación solar para producir en primer lugar calor que puede aprovecharse posteriormente para, por ejemplo, generar electricidad. Estas plantas suelen emplear un tipo de espejos para concentrar la radiación solar en un receptor

942


capaz de absorber la energía térmica. El calor se usa para producir vapor y mover unas turbinas que producen electricidad. En España están proyectadas diversas plantas termosolares. Actualmente están funcionando dos centrales en régimen de explotación comercial ofreciendo un buen rendimiento. La planta de Puertollano (Ciudad Real) está previsto que funcione a plena carga a finales de 2009. Históricamente, los costes asociados a esta tecnología han ido disminuyendo a causa del conocimiento y del desarrollo en los procesos de funcionamiento. Las primeras plantas fueron instaladas en California (EE UU), y a principios de la década de 1980 el coste era inferior a 50 c$/ kWhe, habiendo disminuido paulatinamente hasta costes cercanos a 10 c$/kWhe. En la Figura 53.7 se muestran los costes asociados a esta tecnología de acuerdo con los resultados obtenidos en las plantas instaladas en California. En la Figura 53.7 puede observarse que a partir del año 1990 los costes siguieron disminuyendo, aunque a menor ritmo, a consecuencia de las mejoras llevadas a cabo en los procesos de operación y mantenimiento. En la Tabla 53.16 se detallan los costes de la electricidad asociados a la tecnología termosolar: el coste final, hoy por hoy, poco afecta a que la planta sea de torre concentradora o de cilindros parabólicos. Es importante destacar que en esta tecnología

el coste depende en gran medida de la ubicación, de la potencia instalada y de la capacidad de almacenamiento de calor. El coste de la generación de electricidad mediante tecnología termosolar, con sistema de almacenamiento, arranca con un mínimo de 11 c€/kWhe y en un futuro próximo se espera que pueda disminuir de manera importante gracias a la fabricación en serie de un gran número de plantas. Tabla 53.16. Coste actual de la electricidad generada con tecnología termosolar. Potencia instalada

50

MW

240.000.000

€


35

Años


8%

Inversión

Cuota de amortización Generación (diseño) Tiempo real de operación Generación real Autoconsumo

20.455.691

€/año

438.000

MWh/año

40% 175.200

MWh/año

8%


161.184

MWh/año


126,91

€/MWh

Rendimiento de la planta Total coste explotación

16% 9.410.000

€/año


58,38

€/MWh

Coste total (bruto)

185,29

€/MWh

Coste total (bruto)

18,53

c€/kWh

< ; !

26,93

c€/kWh

El Plan Solar Mediterráneo (PSM), presentado

Figura 53.7. Evolución del coste de la electricidad termosolar en California.


en el marco de la Unión para el Mediterráneo, tiene como principal objetivo facilitar el desarrollo de la tecnología termosolar en los países de ambas orillas del Mediterráneo. Ello va a conllevar inversiones públicas y privadas por valor de cerca de 38.000 millones de euros en los próximos diez años, en condiciones de rentabilidad casi inmediatas, así como un óptimo balance de carbono contra el cambio climático. El tamaño de estas plantas termosolares obliga a buscar grandes espacios donde pueden instalarse y que dispongan de radiación solar. En este sentido, los mejores emplazamientos son los desiertos. El principal propósito del proyecto Desertec (TransMediterranean Renewable Energy Cooperation: TREC), es buscar estas ubicaciones para la generación de electricidad e incluso agua, mediante la tecnología solar térmica. Estudios recientes demuestran que con un 0,3% de la superficie de los desiertos del norte de África y de Oriente Medio bastaría para satisfacer la demanda de electricidad y agua de Europa, Oriente Medio y norte de África. Esta previsto que la energía procedente de las centrales termosolares tenga un coste de 4 c€/kWh y unos 0,4 €/m3 para el proceso de desalación de agua. El proyecto TREC parte de la base de producir electricidad a partir de la radiación solar y usar una parte de ella para la desalinización de agua de mar por medio de ósmosis inversa, proceso que consume, aproximadamente, 4,5 kWh/m3 de agua desalada. La obtención de electricidad a partir de la radiación solar tiene un rendimiento, en el mejor de los casos, del 20%. Sin embargo, también habría que valorar el proceso de evaporación/condensación del agua a partir de la energía térmica. En una planta solar la eficiencia de la generación de calor es del 80%, por lo que usando un sofisticado proceso de evaporación/condensación de varios efectos, se podría prescindir del proceso de ósmosis. En España, el hecho de disponer de extensas zonas desérticas, o predesérticas, esta tecnología alberga grandes esperanzas.

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA Los paneles fotovoltaicos están formados por semiconductores de tipo diodo que, al recibir la

943

radiación solar, generan una pequeña diferencia de potencial. El acoplamiento de varios de estos diodos permite obtener mayores voltajes. Tradicionalmente esta energía se utilizaba para suministrar electricidad en lugares donde no era rentable la instalación de líneas eléctricas. Con el paso del tiempo su uso se ha diversificado y se han promocionado mayores instalaciones solares conectadas a la red eléctrica. La corriente continua proporcionada por los paneles fotovoltaicos se transforma en corriente alterna y se vierte a la red eléctrica, pero aún hoy son necesarias ciertas subvenciones para dar viabilidad a esta tecnología. Los costes de los sistemas fotovoltaicos dependen en mayor medida de los vaivenes del precio del silicio con el que fabricar los paneles fotovoltaicos. En muchos aspectos sus costes son similares a los de la energía eólica, en el sentido de que las plantas de producción tienen un precio relativamente bajo comparado con el de las energías convencionales. Para la tecnología fotovoltaica se ha estimado un periodo de retorno energético de unos ocho meses, siempre en el supuesto de que la planta se encuentre en un sitio privilegiado con una alta irradiación solar. A primeros de 2007, los países con mayor producción de energía solar fotovoltaica eran Japón, Alemania, Suecia, Holanda y España. Las últimas estimaciones, de 2009, señalan a España como líder mundial. Para este tipo de tecnología los costes económicos de la electricidad generada vienen determinados por los siguientes factores: disponibilidad de la radiación solar, orientación del campo solar y costes de inversión. Esta tecnología distingue entre los sistemas fotovoltaicos integrados en edificios y los sistemas con seguimiento azimutal. Las Figuras 53.8 y 53.9 muestran una estructura típica de los costes económicos de dos instalaciones fotovoltaicas con una potencia instalada de 30 kWp (doméstica) y 3 MWp (industrial), respectivamente. Puede observarse que a medida que van disminuyendo los costes de los componentes básicos ─instalación y paneles, principalmente─ aumentan los otros costes, como cableado, ingeniería, etc.

944


Figura 53.8. Estructura de costes de una planta fotovoltaica de 30 kWp.

Figura 53.9. Estructura de costes de una planta fotovoltaica de 3 MWp.

En la Tabla 53.17 se indica el coste de la energía eléctrica generada a partir de tecnología fotovoltaica con seguimiento azimutal, que es el caso más favorable de energía fotovoltaica. En el caso de una gran planta generadora, como la indicada en la Tabla 53.17, los costes de generación rondan los 20 c€/kWhe. En el caso de plantas pequeñas, domésticas, las cifras pueden alcanzar fácilmente los 70 c€/kWhe. Las provincias más favorables para esta tecnología son las de Andalucía, que son las que disponen de la mayor irradiación solar. El nuevo decreto 1578/08 reduce las primas, fomenta las plantas de tejado frente a las de suelo ─ante la mayor actividad empresarial en el segundo tipo de instalación─, fija un máximo de megavatios para las centrales y crea un sistema de asignación trimestral de potencia para limitar la potencia instalada.

Tabla 53.17. Coste actual de la electricidad generada con tecnología fotovoltaica con seguimiento acimutal. Potencia instalada

45

MW

157.500.000

€


20

Años


8%

Inversión


15.808.717

€/año


98.550

MWh/año


2.190

h/año

Autoconsumo

0%


93.623

MWh/año


168,86

€/MWh


16%


3.002.500

€/año


32,07

€/MWh

Coste total (bruto)

200,93

€/MWh

Coste total (bruto)

20,09

c€/kWh

< ; !

22,97

c€/kWh

945


A finales de 2008, el Gobierno español llevó a cabo, al amparo del nuevo decreto 1578/08, una reducción de las primas a la energía fotovoltaica de 47 a 45 c€/kWh, lo que supondrá un ahorro para el erario público de 1.330 a 915 M€ para 2009. La medida, cuestionada desde ámbitos ecologistas y propulsores de la energía fotovoltaica, fue contestada por el Gobierno aduciendo que se había sobrepasado el límite de instalación en energía fotovoltaica. Así, frente a los 2.400 MW instalados en 2008, el Gobierno solo permitirá que, en 2009, se instalen 500 MW. Desde la Asociación de Industrias Fotovoltaicas (ASIF), y hasta desde la Comisión Nacional de la Energía (CNE), se admite que es positivo frenar el desarrollo de la energía solar como producto financiero. Sin embargo advierten que en momentos de crisis no es recomendable cercenar el desarrollo de una energía renovable de la cual España es también un referente mundial. Según datos de la CNE, tras el cambio de la regulación fotovoltaica en octubre de 2008, ya se superaron los 2.200 megavatios (MW) instalados, más de tres veces los 693 MW que había a finales de 2007. Esta cifra es el resultado de la información oficial remitida por las diferentes comunidades autónomas y es inferior al número real de megavatios. De hecho, el regulador reconoce que la potencia real podría rondar los 3.130 MW, lo que supone más de nueve veces el objetivo trazado en principio para 2008, de 371 MW.

Fuentes de la ASIF ven probable que la potencia instalada sea aún mayor si cabe a la reflejada por la CNE y dan por hecho que España supera ya como líder mundial a Alemania, donde en 2007 había 1.100 MW, y las estimaciones de 2008 fijan una potencia en torno a los 1.350 MW.

RESUMEN DE LOS COSTES DE LAS EE RR A 2008 Este apartado constituye una síntesis de los diferentes costes calculados en los apartados anteriores, basándose a los costes de 2008. El resultado se muestra en la Tabla 53.18, donde en una columna se indica el coste real y al lado la tarifa procedente del RD 661/2007. La Tabla 53.18 indica, en las tres primeras filas, los costes de generación de dos sistemas no renovables: el ciclo combinado con gas natural, las centrales nucleares de fisión y las generación hidráulica de gran potencia, puesto que precisa de una gran presa, lo que conlleva cambios irreversibles en el entorno (por ello no son consideradas renovables si bien la fuente de energía, el agua, sí lo es). Las restantes ocho tecnologías corresponden a energías renovables. La última columna es una estimación de la tendencia del coste a medio plazo. Hay que advertir que no se han tenido en cuenta las posibles incidencias de carácter ambiental, como podía ser el caso de la emisión de CO2 que, obviamente, solo afecta a las centrales de ciclo combinado.

Tabla 53.18. Comparación de costes de generación de electricidad convencional con EE RR en 2008.

c€/kWh

< #&'*@

Tendencia

Ciclo combinado GN

6,16

Al alza

Energía nuclear

4,48

Ligera baja


5,76

Biomasa (residuo forestal)

9,19

11,82

Estabilizarse A la baja

Geotérmica

9,26

6,89

A la baja

Eólica en tierra

4,71

7,32

A la baja

Eólica en mar

8,45

7,32

A la baja

Olas

20,0

6,89

Muy a la baja

Termosolar

18,53

26,93

Muy a la baja

Fotovoltaica (industrial)

20,09

22,97

Muy a la baja

5,4

7,80

Estabilizarse

Minihidráulica

Costes económicos de las energías renovables en el horizonte de 2040

54

EL DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS HARÁ POSIBLE QUE EN 2040 LAS CIFRAS DE INVERSIÓN DE LOS SISTEMAS DE GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD A PARTIR DE EE RR HAYAN DESCENDIDO Y SEAN MUY COMPETITIVAS. •

•

•

•

•

•

La propuesta oficiosa del Gobierno español de generar el 72,4% de la electricidad de origen renovable para 2040, no difiere mucho de la de estos autores que postulan el 73,2%, el resto hasta el 80,7%, proviene de la hidráulica convencional. Una política energética razonable parece que es aquella que, a partir de la fecha de extinción de la tarifa regulada (2022, según el RD 661/2007, para la mayoría de las EE RR), o bien suprimiera las ayudas cuando el coste de generación sea inferior al resultante del mix de las convencionales, o bien disminuirlas de manera que sigan siendo rentables. La evolución del coste de los combustibles fósiles a 30 años vista es imposible de adivinar, así que también lo será el coste de generación de electricidad a partir de combustibles fósiles y, por tanto, el establecimiento de un futuro mix que proporcione un coste de referencia. En el horizonte de 2040, los coste previstos para algunas de las tecnologías expuestas anteriormente son los siguientes: ciclo combinado de gas natural (11,0 c€/kWh), energía nuclear (3,9 c€/kWh), biomasa con residuo forestal (6,9 c€/kWh), eólica onshore (2,2 c€/kWh), termosolar (3,0 c€/kWh) y fotovoltaica (8,8 c€/kWh). Los precios de la electricidad generada a partir de EE RR, mucho antes del horizonte de 2040, serán más competitivas que las fósiles. Como ha acontecido con la eólica terrestre en 2008, con respecto a las convencionales. La Tabla 54.8 de este capítulo muestra el descenso esperado en el coste de generación de electricidad para todas las tecnologías renovables.

Introducción De la misma manera que la energía eólica (y la marina fuera de España) ha experimentado un desarrollo exponencial desde 1985, es decir, en menos de 30 años, es de esperar que en el horizonte

de 2040 todas las tecnologías renovables habrán alcanzado un grado de madurez suficiente, semejante a los que actualmente tienen las tecnologías experimentadas, conocidas como convencionales.

948


Además, es de suponer que en el año 2040 las tecnologías referentes a las EE RR estarán definitivamente instaladas a escala industrial, lo que permite establecer los costes económicos en el horizonte del año 2040. Esta obra postula la tesis de que en 2040 el 80,7% de la energía eléctrica nacional podrá proceder de fuentes renovables. Para ello, los cálculos de costes que aparecen en los apartados siguientes parten de las siguientes premisas: •

•

•

Las EE RR estarán maduras y los costes de inversión habrán descendido (lo mismo que ha acontecido en los últimos veinte años con los aerogeneradores). No serán necesarias primas, puesto que los costes serán inferiores a los convencionales (la única excepción sería la biomasa, lo que constituye uno de los motivos por el cual estos autores abundan en la idea de destinarla a la producción de carburantes de segunda generación). Para facilitar la comparación de costes se usan euros constantes. Es decir, tanto para la inversión como para el cálculo de los costes de explotación se supone un valor mantenido de la divisa.

El casi 80,7% de electricidad de origen renovable que propone esta obra, para 2040, no anda lejos, como muestra la Figura 54.1, del REN 21.2007: Renewable Energy Potentials que se presentó en Berlín en septiembre de 2007 (en dicho congreso

los principales países del mundo presentaron sus programas de generación de electricidad de origen renovable a medio plazo en función, obviamente, de las características propias de cada país). De la Figura 54.1 se pueden extraer algunas conclusiones: •

• •

Todos los países tienen previsto un plan de energías renovables que, en su gran mayoría, pretenden superar el 50% de generación de electricidad a partir de fuentes de EE RR. España está en el grupo que se propone superar el 70% (exactamente el 76%) en 2050. El planteamiento de estos autores es del 80,7% en 2040. Sin embargo, la distribución de fuentes difiere en algunos componentes, básicamente en la cuantía de la energía eólica y la fotovoltaica. (Estos autores, en la partida de geotermia, han añadido otras fuentes, para ser coherentes con el resto del texto).

La Figura 54.2 muestra las diferencias entre las distribuciones en electricidad generada a partir de fuentes de EE RR, propuesta del citado congreso de Berlín de 2007, Renewable Energy Potentials, con respecto a las postuladas por los autores. La propuesta oficiosa del gobierno español era generar el 72,4% de la electricidad de origen renovable para 2040, mientras estos autores postulan el 73,2%; el resto hasta el 80,7%, proviene de la hidráulica convencional.

Figura 54.1. Previsiones de generación de electricidad de origen renovable para algunos países en 2050.


949

Figura 54.2. Comparación de previsiones en la generación de electricidad de origen renovable, para 2040, entre datos oficiosos del Gobierno y los autores.

Factores para estimar los costes a medio plazo En lo sucesivo, en las tablas de cálculo de coste de generación no se incluyen las ayudas oficiales, por los siguientes motivos: •

•

•

En 30 años se supone que la tecnología se habrá desarrollado de tal forma que no harán falta las ayudas del gobierno. (A finales de 2009 se ha presentado una reforma de ley que afectará al RD 661/2007, para reducir las primas a la energía eólica, como se hizo en 2008 a la fotovoltaica. Se arguye que esta EE RR ha alcanzado un grado de madurez que ya no precisa ayuda oficial y, de pasada, se pone freno a la especulación). Una política energética razonable parece que es aquella que, a partir de la fecha de extinción de la tarifa regulada (2022, según el RD 661/2007, para la mayoría de las EE RR), o bien suprimiera las ayudas cuando el coste de generación sea inferior al resultante del mix de las convencionales, o bien disminuirlas de manera que sigan siendo rentables. La evolución del coste de los combustibles fósiles a 30 años vista es imposible de precisar, así que también lo será el coste de

generación de electricidad a partir de combustibles fósiles y, por tanto, el establecimiento de un futuro mix que proporcione un coste de referencia.

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA BIOMASA La tecnología que genera electricidad, de manera segura en 2007, a partir de biomasa es la incineración, empleando el ciclo de Rankine, que proporciona un rendimiento del 20%, que en el caso de la biomasa es un factor claramente limitante. La otra forma segura, si bien para potencias inferiores a 1,5 MW, es la gasificación que, además, aumenta el rendimiento por encima del 50%, lo que a su vez incrementa la tarifa en concepto de eficiencia energética. Es de esperar que hacia 2015 el equipamiento principal sea un gasificador y la turbina de gas de síntesis, lo que permitirá en el horizonte de 2040 mejorar la rentabilidad, es decir, reducir notablemente el coste de la electricidad de este origen. La Tabla 54.1 muestra el coste de la electricidad generada a partir de biomasa (residuo agrícola), suponiendo el escenario de trabajo antes descrito para 2040. Este tipo de biomasa, y cuanto más barata sea mayor problema, hay que recogerla, triturarla y

950


“limpiarla” (normalmente contiene arena), lo que supone una instalación notable. Además, si se desea usar la biomasa recién arrancada deberá llevarse a cabo una etapa de secado, puesto que la mayoría de tecnologías de gasificación del mercado exigen una sequedad, mínima, del 75%. Todo ello se traduce en un incremento de la inversión y de los costes de operación. En resumen, para el año 2040 se espera una reducción de costes respecto a la situación actual, oscilando los valores entre 5 c€/kWhe (al emplear residuos como combustible) y 8 c€/ kWhe (correspondiente al aprovechamiento de biomasa agrícola o semejante). De todas maneras, estos autores creen que existen toda una gama de posibilidades de generar energía eléctrica a partir de fuentes de EE RR y debería reservarse la biomasa para otras aplicaciones, principalmente biocarburantes. Tabla 54.1. Coste de la electricidad generada con tecnología de gasificación de biomasa prevista para 2040. Potencia instalada

30

MW

55.750.610

€


25

Años


8%

Inversión


5.163.605

€/año

262.800

MWh/año

88% 231.264

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA La previsión para el año 2040 para la energía de origen geotérmico se basa en que la tecnología de perforación estará tan desarrollada y demostrada (a primeros de 2000 se realizaban perforaciones para la extracción de petróleo a más de 2.000 m sin problemas) que el fluido geotérmico podrá alcanzar una temperatura de 250 ºC (frente a los 180 ºC que se consiguen actualmente), pudiendo aumentar el rendimiento energético total del ciclo hasta un 16% (frente a un 11-12 % en la primera década del siglo XXI). Esto no tiene demasiada importancia en cuanto a la fuente de energía primaria pero sí referido a la inversión, pues la instalación será más compacta y los gastos de explotación serán también menores (menor cantidad de agua o vapor). Por lo que hace referencia a la fuente de suministro de energía para calefacción la tecnología se cree que esté tan desarrollada que pueda abastecer a España entera a un precio muy bajo. En la Tabla 54.2 se muestra el coste esperado para 2040 de la generación de electricidad a partir de energía geotérmica. Tabla 54.2. Coste esperado de la generación de electricidad a partir de la energía geotérmica para 2040. Potencia instalada

100

MW

230.000.000

€


25

Años


8%

Inversión MWh/año

4% 212.763

MWh/año


24,27

€/MWh

PCI útil combustible

2,67

MWh/t


17,0

€/t


36%

Cuota de amortización Generación (diseño) Tiempo real de operación Generación real Autoconsumo

Energía térmica

642.400

MWh/año

Cantidad de combustible

240.202

t/año

Coste del combustible

4.083.430

€/año

Coste operación

5.464.464

€/año


9.547.893

€/año


44,88

€/MWh

Coste total (bruto)

69,15

€/MWh

Coste total (bruto)

6,91

c€/kWh


21.345.500

€/año

876.000

MWh/año

90% 788.400

MWh/año

8% 725.328

MWh/año


29,43

€/MWh


14%


15.225.000

€/año


20,99

€/MWh

Coste total (bruto)

50,42

€/MWh

Coste total (bruto)

5,04

c€/kWh


Según se puede observar en la Tabla 54.2, para la estructura de costes proyectada en el horizonte del año 2040, el coste de la energía geotérmica puede oscilar entre 4,0 c€/kWhe y 6,0 c€/kWhe, es decir, inferior al coste de las actuales centrales térmicas de ciclo combinado de gas natural. Algunos estudiosos también aseguran que el precio, en determinadas zonas de España y para centrales de más de 100 MW, puede caer por debajo de los 4,0 c€/kWhe en el umbral de 2030.

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA ENERGÍA UNDIMOTRIZ La evolución del coste de inversión y de la potencia instalada de la tecnología undimotriz se espera que sea muy importante en los próximos años. De esta manera se pretende que la cifra de inversión pase de los 3.500 €/kWe instalado, en el año 2005, hasta los, aproximadamente, 1.000 €/ kWe en el año 2040. Además, los costes de operación prácticamente no aumentarán a partir de 2020, lo que demuestra el grado de desarrollo que se presume que tendrá esta tecnología en los próximos años. Tabla 54.3. Coste de la electricidad generada a partir de tecnología undimotriz en el año 2040. Potencia instalada

50

MW

50.000.000

€


25

Años


8%

Inversión

Cuota de amortización Generación (diseño)

4.640.326

€/año

438.000

MWh/año


45%


197.100

MWh/año


23,54

€/MWh


15%


4.365.000

€/año


22,15

€/MWh

Coste total (bruto)

45,69

€/MWh

Coste total (bruto)

4,57

c€/kWh

A causa de que esta tecnología se encuentra actualmente poco implementada, al menos en España, y para facilitar la evaluación de los costes, se

951

ha tomado para la proyección en el año 2040 un modelo siguiendo las pautas señaladas en el párrafo anterior. En la Tabla 54.3 se indica el coste de la tecnología undimotriz con la estructura de costes proyectada para el año 2040. El tiempo real de operación, que aparece distinto del supuesto para 2008, tiene que ver con la mejora de la tecnología, que supondrá un mejor aprovechamiento energético del oleaje. En los casos más favorables, para el año 2040 se espera que algunas provincias (Pontevedra, A Coruña, Lugo y Vizcaya) presenten costes económicos de generación entre 4 c€/kWhe y 5 c€/kWhe.

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA ENERGÍA EÓLICA TERRESTRE (ONSHORE) Para conseguir rendimientos óptimos con la tecnología eólica onshore es necesario disponer de un buen emplazamiento de las turbinas, con bajas interferencias aerodinámicas. La dependencia del emplazamiento aumenta a medida que disminuyen las velocidades medias del viento. Igualmente es importante diferenciar si la instalación se lleva a cabo en terreno llano o accidentado, ya que los costes de inversión son diferentes. En los próximos años se espera que el rendimiento de los aerogeneradores aumente, lo que supone que los costes de inversión serán menores. Además, la tecnología en 2040 permitirá la instalación de aerogeneradores de mayor potencia, lo que redunda en la disminución de las cifras unitarias de inversión. En la Tabla 54.4 se presentan los costes de la electricidad eólica en el horizonte de 2040. Los mejores emplazamientos en la península Ibérica los presentan las provincias de Zamora, Zaragoza, Málaga y Pontevedra. De acuerdo con la Tabla 54.4 el coste para las provincias mejor situadas puede descender por debajo de los 2,0 c€/kWhe, lo que da una idea de la potencialidad de esta tecnología casi completamente desarrollada hoy en día. Una de las posibilidades, por ahora no explotada, es la hibridación de la eólica terrestre con estaciones hidráulicas reversibles. Ello permitiría superar las cifras previstas de potencia instalada y aumentar la rentabilidad.

952


Tabla 54.4. Coste generación electricidad de origen eólico terrestre en emplazamientos llanos para los mejores emplazamientos en 2040. Potencia instalada

100

MW

50.000.000

€


25

Años


8%

Inversión


4.630.897

€/año

876.000

MWh/año

32% 280.320

MWh/año

1% 277.517

MWh/año


16,69

€/MWh


37%

En función de estos datos de inversión, en la Tabla 54.5 se muestran los costes de la electricidad para la tecnología eólica offshore en el umbral de 2040. Puede observarse en la Tabla 54.5 que el coste de generación va a ser muy favorable, en particular en las provincias de Girona, A Coruña, Cádiz y Almería que, de acuerdo con el mapa eólico marino, representan los mejores emplazamientos en este sentido. La Asociación Europea de Energía Eólica prevé que la inversión y el empleo vayan aumentando hasta que en 2025 domine el panorama de la energía eólica. La asociación calcula que en 2025 el sector, en la UE, emplee casi 400.000 personas de las que casi el 60% se dedicarán a la eólica marina y el resto a la terrestre. Tabla 54.5. Coste previsto de la electricidad generada con tecnología eólica offshore en la península Ibérica para 2040.


1.990.000

€/año


7,17

€/MWh

Coste total (bruto)

23,86

€/MWh

Potencia instalada

Coste total (bruto)

2,39

c€/kWh

Inversión

Entidades tan respetables como la Asociación Europea de Energía Eólica (EWEA) han señalado, a primeros de 2009, que el sector creaba, cada día, 33 puestos de trabajo. En España, en cifras de 2007, el sector daba empleo directo a casi 21.000 personas que, si se cuentan los empleos indirectos la cifra se transforma en 38.000. Es fácil extrapolar lo que va a acontecer en los años 2020 y sucesivos.

150

MW

127.500.000

€


25

Años


8%


11.808.788

€/año


1.314.000

MWh/año

Tiempo real de operación Generación real Autoconsumo Generación para la venta

35% 459.900

MWh/año

1% 455.301

MWh/año €/MWh

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA ENERGÍA EÓLICA MARINA (OFFSHORE)


25,94


40%

Al igual que sucede con la energía undimotriz, la tecnología eólica offshore se encuentra muy poco desarrollada en España, a pesar de ser uno de los principales países en potencia eólica onshore instalada. A fin de maximizar el rendimiento de los parques eólicos marinos, y minimizar el coste económico, conviene alcanzar un equilibrio entre la potencia instalada y la pérdida de eficacia a causa de las interferencias aerodinámicas entre aerogeneradores. De cara al año 2040, se supone que esta tecnología habrá alcanzado su pleno desarrollo, habiendo disminuido los costes de inversión desde los 1.600 €/kWp, a principios del siglo XXI, hasta unos 850 €/kWp hacia el año 2040.


5.100.000

€/año


11,20

€/MWh

Coste total (bruto)

37,14

€/MWh

Coste total (bruto)

3,71

c€/kWh

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA ENERGÍA TERMOSOLAR El horizonte de 2040 se ha planteado a partir de los resultados obtenidos por las plantas recién instaladas (2008) en el sur de España y las primeras plantas termosolares instaladas en California (desierto del Mojave) a partir de 1980. Las cifras de explotación y de inversión se han extrapolado para 2040.

953


En la tecnología termosolar, los costes están ligados a diversos factores, como el volumen de producción, la capacidad de almacenamiento y, sobre todo, la evolución tecnológica. La optimización de estos aspectos permitirá alcanzar las máximas cotas de potencia. En cualquier caso, las mejoras planteadas a lo largo de este periodo, hasta el año 2040, permite aceptar unos menores costes que los obtenidos actualmente, tal y como se detalla en la Tabla 54.6. Para alcanzar tales precios se espera que el coste medio de inversión haya descendido hasta unos 1.500 €/kW instalado para plantas con una potencia, al menos, el doble de las actuales. Además se parte de la base de que la tecnología de almacenamiento, aspecto fundamental para esta tecnología, permita funcionar algo más de 6.000 horas/año. El desarrollo de la tecnología de las sales fundidas para el almacenamiento de calor durante las horas de insolación va a ser crucial en los próximos años. En España ya existen plantas termosolares que usan estas sales y deben solventarse los lógicos problemas de puesta en marcha. Pasar de 2.300 horas/año (26%) al 70% es clave, si bien es obvio que la planta será mayor y más cara. Otro escenario es la hibridación con energía procedente de la biomasa. Tabla 54.6. Coste previsto de la electricidad generada con tecnología termosolar en el umbral de 2040.

De acuerdo a la estructura de costes proyectada para el año 2040 que se detalla en la Tabla 54.6, los valores disminuyen significativamente respecto a los actuales, e incluso en algunas provincias, principalmente en Andalucía y Castilla-La Mancha, son inferiores que los valores tomados como referencia (2,9 c€/kW).

ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA Seguramente esta tecnología renovable, junto con la eólica, es la que puede proporcionar más datos relativos a su funcionamiento, así como a sus procesos de operación y mantenimiento, por lo que resulta más fácil proponer su situación proyectada en el año 2040. La evolución del coste de inversión, que en 2005 era de unos 5,5 €/Wp (hasta finales de 2009 el descenso ha sido notable), ha de descender a algo menos de 1 €/Wp en 2040, lo que supone un cambio cuantitativo importante. Tabla 54.7. Coste de la electricidad generada con tecnología fotovoltaica en el horizonte de 2040. Potencia instalada

50

MW

55.000.000

€


25

Años


8%

Inversión

Cuota de amortización Potencia instalada

100

MW

150.000.000

€


35

Años


8%

Inversión


12.784.696

€/año

613.200

MWh/año

70% 613.200

MWh/año

6% 576.408

MWh/año


22,18

€/MWh


22%


4.440.000

€/año


7,70

€/MWh

Coste total (bruto)

29,88

€/MWh

Coste total (bruto)

2,99

c€/kWh

5.093.987

€/año


95.000

MWh/año

Generación real

90.250

MWh/año

Autoconsumo

0%


90.250

MWh/año


56,44

€/MWh


25%


1.965.000

€/año


21,77

€/MWh

Coste total (bruto)

78,22

€/MWh

Coste total (bruto)

7,82

c€/kWh

De acuerdo a estas premisas, la Tabla 54.7 muestra el coste económico de la tecnología fotovoltaica en el horizonte de 2040 (para una aplicación industrial con seguimiento azimutal), con valores bastante inferiores a los actuales. Debe añadirse que, aunque el óptimo desarrollo de esta

954


tecnología suavice los costes económicos, en las regiones peninsulares más desfavorables, en cuanto a disponibilidad de irradiación solar se refiere, esta tecnología resulta más cara que otras igualmente de origen renovable.

De conformidad con los mapas de irradiación solar, las provincias más favorables pertenecen a Andalucía, Castilla-La Mancha y la región de Murcia.

Comparación de los costes de generación mediante diferentes tecnologías en la situación actual y en el horizonte 2040 do este último ratio. La tecnología hidráulica convencional se supone que permanecerá estabilizada (en este último caso, el coste de amortización de la inversión es reducido; la incógnita es adivinar el régimen pluviométrico a tan largo plazo). En la Tabla 54.8 se han sombreado las tecologías de generación de electricidad a partir de fuentes no renovables. El coste económico total de las energías renovables viene determinado, principalmente, por los costes de inversión, ya que la partida relativa a los procesos de operación y mantenimiento suele ser pequeña. Un punto básico a destacar es el coste de referencia. Si en 2008 se toma el coste del ciclo combinado y el de la nuclear por ser los mas económicos, y tal vez los más importantes, en 2040 muchos precios de generación de energías renovables van a ser inferiores a los actuales de referencia.

En la Tabla 54.8 se comparan los costes de las tecnologías que se han expuesto en los apartados anteriores. En la primera columna se muestran los costes de generación en 2008, en la segunda aparecen los que se esperan en 2040. La última columna indica el porcentaje de aumento o de disminución. Es importante destacar que la fuente de generación nuclear se mantendrá estable, algo a la baja (las nuevas inversiones serán importantes pero los costes operativos unitarios se espera que desciendan), mientras que la de ciclo combinado se incrementará de forma importante. Solo teniendo en cuenta una inflación media anual del 1,8%, el factor inflacionista en 32 años es 1,74. Suponiendo que el precio en origen del gas natural subiera una media del 2,5%, el factor multiplicativo es muy importante. Frente a todas las incógnitas de incremento del precio del gas natural ha prevaleci-

Tabla 54.8. Coste comparativo de generación eléctrica de 2008 y la esperada en 2040. Coste medio

%

c€/kWh

c€/kWh

2008

2040

Ciclo combinado GN

6,16

11,07

80%

Energía nuclear

4,48

3,89

-13%


5,76

4,83

-16%

Biomasa (residuo forestal)

9,19

6,91

-25%

Año Tipo de generación

Geotérmica

9,26

5,04

-46%

Eólica en tierra

4,71

2,39

-49%

Eólica en mar

8,45

3,71

-56%

Undimotriz

20,0

4,57

-77%

Termosolar

18,53

2,99

-84%

Fotovoltaica (industrial)

20,09

7,82

-61%

Minihidráulica

5,40

5,56

3%

Costes de generación de electricidad con el nuevo modelo energético

55

UN NUEVO MODELO DE GENERACIÖN BASADO EN LAS EE RR PERMITIRÁ UNOS COSTES INFERIORES A LOS ACTUALES Y CUMPLIR CON LOS PROTOCOLOS DE KYOTO. •

• •

•

• • • •

El mix de generación eléctrica en 2007 representó un coste de generación de 5,30 c€/kWh (de hecho, es el 70% del coste de generación ya que falta el transporte y distribución), equivalente a 369 € por persona y año, en cifras redondas: 1,1 € por persona y día. En 2008, el coste más elevado correspondió al mix de energías renovables (6,16 c€/kWh). Manteniendo esta estructura de generación y siendo muy conservadores, en 2040 el coste de generación será de 6,45 c€/kWh. En este caso el coste más elevado correspondería al ciclo combinado de gas natural (11,07 c€/kWh). El modelo de producción de electricidad propuesto en esta obra tiene un coste de generación previsto de 2,97 c€/kWh, con una contribución de las energías renovables de un 73,2%, y si se incluye la hidráulica convencional el 80,7%. El único recurso fósil empleado en el mix propuesto es el gas natural. El modelo permite cumplir con el Protocolo de Kyoto. El modelo propuesto, basado en las EE RR, permite reducir de manera drástica la dependencia energética exterior. Con la energía distribuida se mejora la eficiencia energética.

Introducción Una vez calculados los costes unitarios de generación de electricidad a partir de cada tecnología y conocido el mix, es posible calcular el coste medio de generación. Así, la Tabla 55.1 muestra el coste global de generación de electricidad en España en 2007 de acuerdo con el mix que se usó en dicho año. En la primera fila, y para simplificar la tabla, se ha incluido la generación de plantas de fuelóleo o

las mixtas FO/GN con las de carbón, asumiendo que el precio es el del carbón, lo cual no es cierto ya que es mas caro; sin embargo, como su incidencia es baja, se han mantenido juntos. No se debe confundir el precio de venta de la electricidad con el coste de generación que es el mostrado en la Tabla 55.1. Aproximadamente, el coste de generación supone un 70% del precio de venta. De la tabla es preciso hacer unas observaciones:

956 •

• •


El coste unitario más elevado corresponde al mix de energías renovables correspondiente a aquel año. El coste medio de generación es de 5,30 c€/ kWh. El consumo medio por persona fue de 5.838 kWh/año. Como se anotó en la Parte V, este valor unitario aumentará, tal como ha sucedido en los países de nuestro entorno.

En resumen, con el mix de generación de 2007 y la estructura de distribución eléctrica actual, cada

ciudadano pagó, de media, aproximadamente 1 € al día por el uso y disfrute de la electricidad. En cualquier caso, el espíritu que persigue este libro no es incidir en el coste de la electricidad sino en preguntarse cómo se podrá generar electricidad en un futuro en caso de mantener este mix. Para ello se preconiza un cambio de modelo donde las energías renovables tomen el progresivo relevo de las convencionales, y en particular de aquellas más problemáticas desde el punto de vista de la contaminación.

Tabla 55.1. Coste total de generación eléctrica en 2008. Generación

MWh/año

c€/kWh

€/año

Carbón + FO

71.269.470

4,20

2.993.317.740

Ciclo combinado GN

62.030.835

6,16

3.824.026.383

Nuclear

46.721.097

4,48

2.091.443.925


22.331.101

5,76

1.286.271.418

Mix de renovables

61.502.913

6,16

3.787.483.805

TOTAL

263.855.416

13.982.543.271

: ! Habitantes en 2007

5,30

c€/kWh

45.200.000

Personas

Consumo medio de electricidad por persona

5.838

kWh/año

Gasto medio per cápita en generación

309,3

€/persona

% de la generación sobre precio de venta

70%

Precio de venta medio estimado

7,57

c€/kWh

Coste medio de la electricidad por persona

441,9

€/año

Costes de generación de electricidad con el nuevo modelo energético propuesto Es preciso comenzar por extrapolar cuál sería la situación de la generación de energía eléctrica en España si se mantuviera el modelo actual, tal y como se refleja en la Tabla 55.2, de acuerdo a la generación de electricidad prevista en 2040. Suponiendo una inflación media anual del 1,8%, en los 33 años que separan ambos escenarios, el factor de inflación sería de 1,77 y el coste medio de la electricidad por persona se mantendría. Sin embargo, existen unos parámetros que deben tenerse en cuenta: •

Aun siendo muy conservadores, los precios de generación de electricidad mediante carbón y gas natural en 2040 toman la de-

•

•

lantera y sobrepasan el precio de las otras energías. En los incrementos de coste de los combustibles convencionales no se han valorado los posibles efectos colaterales de ámbito ambiental y de salud (factores no valorados en la tabla). Es preciso eliminar el déficit tarifario actual, lo que se traducirá en un incremento adicional de las tarifas eléctricas (factor no valorado en la tabla). Solo en 2007 el déficit tarifario sobrepasó los 5.000 M€.

Por todo ello el precio real de generación y de venta es previsible que sea bastante superior, lo que

957

Costes de generación de electricidad con el nuevo modelo energético Tabla 55.2. Coste total de generación eléctrica en 2040 manteniendo el modelo actual. MWh/año

c€/kWh

€/año

Carbón + FO

Generación

114.782.728

5,25

6.026.093.220

Ciclo combinado GN

99.903.485

11,07

11.059.148.981

Nuclear

75.246.455

3,89

2.930.701.586


35.965.255

4,83

1.737.121.837

Mix de Renovables

99.053.243

5,71

5.659.898.280

TOTAL

424.951.167

27.412.963.905

: ! Habitantes en 2040

6,45

c€/kWh

54.536.873

Personas


7.792

kWh/año


502,7

€/persona


70%


9,22

c€/kWh


718,1

€/año

Tabla 55.3. Coste total degeneración eléctrica en 2040 según el modelo propuesto. Generación Carbón + FO

MWh/año

c€/kWh

€/año

-

5,25

-

35.578.479

11,07

3.938.478.177

Nuclear

46.457.136

3,89

1.809.414.173


32.000.000

4,83

1.545.600.000

Mini hidráulica

9.954.628

5,56

553.875.525

Ciclo combinado GN

Eólica en tierra

114.504.060

2,39

2.731.797.162

Eólica en mar

51.001.825

3,71

1.894.085.515

Termosolar

75.005.231

2,99

2.241.367.753

Fotovoltaica

5.629.904

7,82

440.348.126

Undimotriz

13.267.678

4,57

606.188.584

Biomasa y residuos

20.292.449

6,91

1.403.122.228


21.259.776

5,71

1.214.782.728

424.951.167

12.631.167.620

2,97

c€/kWh

TOTAL Coste medio de generación

54.536.873

Personas


Habitantes en 2040

7.792

kWh/año


231,6

€/persona


80%


3,72

c€/kWh


289,5

€/año

unido, principalmente, a las medidas de ámbito ambiental el precio real en 2040 puede ser muy elevado. Por esto la Tabla 55.3 calcula el coste medio de generación a partir del mix postulado en este modelo. De acuerdo con los valores reflejados en la Tabla 55.3, el coste de generación producido según el mix propuesto desciende a valores muy inferiores a los de 2007, con un 73,2% de generación de

energías renovables (la hidráulica convencional no se incluye entre las renovables). Por lo que hace referencia al coste de generación, de la misma tabla, se desprende que el 57,7% del coste proviene de las energías no renovables, que suponen solo el 28,8% del total. De ahí se infiere que un mix con el 100% de renovables conduciría a un coste de generación todavía mas bajo.

958


Las grandes ventajas que se derivan del modelo propuesto son las siguientes: • •

Los costes de generación, en 2040, descienden por debajo de los valores de 2007. Solo se emplea gas natural como combustible fósil, que además es el recurso convencional que en su combustión genera menos CO2 por unidad de energía.

• • •

•

Se reduce de manera importante la dependencia energética del exterior. Permite incrementar la productividad de España. Proporciona puestos de trabajo, tanto en el sector de fabricación como de instalación y explotación de las nuevas centrales eléctricas. Con la energía distribuida se mejora la eficiencia de la distribución.

Distribución de la generación de la energía en el nuevo modelo

56

EN EL NUEVO MODELO BASADO EN EE RR ES NECESARIO OPTIMIZAR EL RENDIMIENTO DE CADA UNA DE ELLAS, LOS MEJORES EMPLAZAMIENTOS Y EL MIX. • • • •

• • •

• •

Para disponer de un sistema eléctrico proveniente de energías renovables es necesario optimizar el rendimiento de cada una de ellas, y escoger los mejores emplazamientos en cada caso. La biomasa y la energía geotérmica no dependen del recurso, como las otras tecnologías renovables, por lo que podrían funcionar a régimen constante a lo largo del año. El papel de la energía hidráulica en el mix propuesto sería el de regulación a causa de su capacidad de almacenamiento del recurso. El factor de capacidad (CF) de una tecnología es la relación entre la energía útil obtenida y la máxima energía que podría generarse trabajando a potencia nominal. El mayor CF es el de la energía geotérmica (91%) y el menor el de la undimotriz (11%). La distribución del consumo eléctrico propuesto para 2040 supone que este consumo será prácticamente igual a su generación. La disminución del coste económico del mix puede conseguirse mediante una óptima gestión de la demanda eléctrica. Con el modelo de generación propuesto, Cataluña, la primera consumidora de electricidad del Estado, podría llegar a una tasa de autoabastecimiento, con EE RR, de casi el 45%, mientras que Andalucía lo sobrepasaría, llegando al 122%. Ello da una idea de la “riqueza energética” de España. Para minimizar la pérdida energética en las actuales redes de transporte sería conveniente apostar por sistemas de microgeneración y su distribución mediante microrredes. En el horizonte de 2040, sería posible acometer la demanda de energía primaria a partir de tecnologías renovables, siempre y cuando se aborde el tema de sustitución de los carburantes de automoción.

Introducción Para disponer de un sistema energético en el que la electricidad provenga mayoritariamente de un mix de tecnologías renovables es necesario op-

timizar el rendimiento de cada una de ellas; por ejemplo, determinando los periodos en los que su factor de capacidad es mayor. Es decir, la tecno-

960


logía fotovoltaica será más eficiente en primavera que en verano, de la misma forma que la eólica lo será durante el periodo invernal. Igualmente es muy importante el emplazamiento, pues, en el caso de la fotovoltaica, una planta instalada en Andalucía será más productiva que una que lo esté en Asturias. En muchos emplazamientos de la península Ibérica, la energía eólica offshore también es muy dependiente de la estación del año. Por ejemplo, en la costa del Mediterráneo, el recurso eólico es mayor en los meses de otoño e invierno, mientras que en otras zonas, como la costa gallega, este recurso es prácticamente constante a lo largo del año. La tecnología eólica onshore se comporta de forma similar a como lo hace la eólica marina, encontrando su valor máximo de potencia durante la temporada invernal. En este caso no es excepcional alcanzar la potencia nominal en algunos de los emplazamientos, aunque el valor promedio sigue aproximadamente de la misma forma que la offshore. La termosolar es un tipo de tecnología cuyo recurso es predominante durante la temporada de primavera y verano. En los mejores emplazamientos, que corresponden a zonas de Andalucía, se podría afirmar que la capacidad de generación es prácticamente continua a lo largo del año, a causa de la elevada irradiación solar, mientras que en zonas menos favorables, la generación es discontinua durante todo el año. De todas maneras, los valores promedios de potencia tendrían una forma parecida a una campana de Gauss, tal y como se muestra en la Figura 56.1.

En el caso de la tecnología solar fotovoltaica, el comportamiento de la potencia promedio es prácticamente igual que en la termosolar, obteniendo también una curva en forma de campana de Gauss. Otro tipo de tecnología que debe tenerse en cuenta para completar un mix de generación eléctrica a partir de energías renovables es la procedente de las olas. En este caso, su comportamiento es similar al de la tecnología offshore, encontrando su máximo rendimiento durante los meses de otoño e invierno. Como acontece con la fotovoltaica, esta tecnología desarrolla una potencia inferior a la nominal, por lo que su factor de capacidad resulta bastante pequeño en comparación con las otras tecnologías. La biomasa y la energía geotérmica podrían considerarse como casos excepcionales, pues no dependen del recurso del mismo modo que lo hacen las otras tecnologías renovables. Con la biomasa, aunque es cierto que algunos de los combustibles empleados no se encuentran durante todo el año, la capacidad de almacenamiento de los recursos juega un papel fundamental, ya que evita las fluctuaciones y la dependencia con el suministro. Así pues, se podría considerar que, puesto que ambas tecnologías podrían funcionar a régimen prácticamente constante durante todo el año, su factor de capacidad es muy elevado. Una situación particular es la de la energía hidráulica, cuyo papel en un mix de generación eléctrica sería el de regulación, a causa, principalmente, de su capacidad de almacenamiento del recurso, de forma que sea capaz de cubrir puntas de

Figura 56.1. Rendimiento eléctrico anual medio generado en España a partir de tecnología termosolar.

961


demanda que el resto de las energías renovables no sean capaces de satisfacer. Un parámetro muy importante que debe tenerse en cuenta a la hora de valorar un sistema de generación de energía es el del factor de capacidad, cuyo valor se obtiene como resultado del cociente entre la energía útil obtenida y la máxima energía que podría generarse trabajando a potencia nominal.

Siendo CF el factor de capacidad, Eu la energía útil obtenida y Em la máxima energía posible que se obtendría trabajando a potencia nominal. Este factor proporciona una idea de cuánto se aprovecha una instalación. En la Tabla 56.1 se detallan los factores de capacidad promedios de las diferentes tecnologías de origen renovable. Tabla 56.1. Factores de capacidad medios para las distintas tecnologías de generación de electricidad. =

Factor CF (%)

Eólica en tierra

30,0

Eólica en mar

31,8

Termosolar

40,5

Fotovoltaica

22,0

Olas

11,0

Geotérmica

91,0

Biomasa y residuos

85,0

La distribución de la energía en el nuevo modelo propuesto para el año 2040, es decir, suponiendo un mix de generación de electricidad con contribución mayoritaria de energías renovables, puede

conseguirse mediante diferentes combinaciones de las tecnologías disponibles, siempre teniendo en cuenta que en el horizonte de 2040 la demanda de energía eléctrica será de 424,9 TWh/año. Debe considerarse que una de las principales ventajas de las energías renovables es su capacidad de regulación, de forma que su producción puede adaptarse fácilmente a los picos de demanda requeridos, e incluso lo hacen más rápidamente que las energías llamadas convencionales. Una posible combinación para la generación de electricidad sería la que priorizaría la diversidad tecnológica, es decir, un mix de generación con la misma potencia instalada para todas las tecnologías; conviene indicar que este supuesto no resulta del todo adecuado desde el punto de vista del potencial disponible, ya que no todos los emplazamientos geográficos disponen del mismo recurso. La Tabla 56.2 parte de la propuesta, ya expuesta, de generar una electricidad de 310,9 TWh/año de origen renovable y resulta una potencia instalada, de acuerdo con los factores de capacidad, de 105 GW. La geotérmica y otras renovables no especificadas en la tabla se incluyen en Otros con la cogeneración, de ahí que resulte un factor tan elevado. El mix mostrado en la Tabla 56.2 corresponde a uno promedio en España, vista como un territorio global. Es obvio que puede conseguirse la misma energía con otra combinación de EE RR, es decir, otro mix, posiblemente la más adecuada sería incrementar la termosolar. Teniendo en cuenta que las plantas de EE RR son de potencia moderada, entre 50 y 100 MW, y que la energía es distribuida, la incidencia en el territorio va a ser importante,

Tabla 56.2. Energía generada y potencia instalada de las distintas tecnologías en un mix de generación de electricidad propuesto para el año 2040. Generación (EERR)

MWh/año

% Energía

Factor

h/año

MW

% Potencia

Mini hidráulica

9.954.628

3,2%

1,00

8.760

1.136

1,1%

Eólica en tierra

114.504.060

36,8%

0,30

2.628

43.571

41,0%

Eólica en mar

51.001.825

16,4%

0,32

2.786

18.309

17,2%

Termosolar

75.005.231

24,1%

0,41

3.548

21.141

19,9%

Fotovoltaica

5.629.904

1,8%

0,22

1.927

2.921

2,7%

Olas

13.267.678

4,3%

0,11

964

13.769

13,0%

Biomasa y residuos

20.292.449

6,5%

0,85

7.446

2.725

2,6%


21.259.776

6,8%

0,91

7.972

2.667

2,5%

TOTAL

310.915.552

100,0%

106.239

100,0%

962


por lo que sería conveniente llevar a cabo un estudio pormenorizado de la elección de las diversas EE RR por comunidades autónomas. La Tabla 56.3 muestra, dentro del contexto nacional, cómo podría quedar distribuida la generación de electricidad en su conjunto a partir del modelo propuesto. En la tabla se observa que las cuatro primeras filas corresponden a parámetros “fijos” en la manera de generar energía: el ciclo combinado porque se trata de un recurso clave al que acudir en caso de necesidad o de regulación; la energía nuclear como energía de “fondo”, y la hidráulica, tanto la convencional como la minihidráulica porque se estima que se hallan bastante al límite de su expansión. Estas cuatro suman el 26,8% del total, por tanto se trata de proponer, por comunidades, la ubicación de plantas de generación más adecuadas para completar el 73,2% restante.

Tabla 56.3. Energía eléctrica generada en 2040 según el nuevo modelo. Sistema de generación

MWh/año

%

Ciclo combinado GN

35.578.479

8,4%

Nuclear

46.457.136

10,9%


32.000.000

7,5%

Minihidráulica

9.954.628

2,3%

Eólica en tierra

114.504.060

26,9%

Eólica en mar

51.001.825

12,0%

Termosolar

75.005.231

17,7%

Fotovoltaica

5.629.904

1,3%

Undimotriz

13.267.678

3,1%

Biomasa y residuos

20.292.449

4,8%


21.259.776

5,0%

TOTAL

424.951.167

100,0%

El consumo de energía por comunidades autónomas La Tabla 56.4 muestra la distribución del consumo eléctrico previsto en 2040 a partir de las siguientes hipótesis: •

• •

La suma de la cantidad de energía de todas las comunidades autónomas será la total de España y la misma que asume el nuevo modelo de generación. Se supone que el consumo porcentual de las comunidades permanece constante. Se estima que la demanda es prácticamente igual a la generación.

A partir de los datos facilitados por la Tabla 56.4 se propone un modelo de desarrollo de EE RR a lo largo del territorio por CC AA, en función de sus posibilidades. Para mostrar dos ejemplos se eligen las dos primeras CC AA en consumo: Cataluña y Andalucía. La primera porque es la que ostenta un mayor consumo y la segunda por las grandes posibilidades de generación de EE RR. La energía fotovoltaica integrada en edificios y la fotovoltaica con seguimiento azimutal se agrupan en una única categoría. Partiendo de la base, como señala la Tabla 56.3, de que en el modelo propuesto la generación de electricidad a partir de EE RR representa un 73,2%, las Tablas 56.5 y 56.6 tratan de averiguar la poten-

cia, de fuente renovable, que hará falta instalar en cada CC AA y deducir a partir de ellas la energía generada teniendo en cuenta los factores generales de capacidad. Con todo ello se pueden calcular las Tabla 56.4. Previsión de energía eléctrica consumida por CC AA en 2040.

:; _;: % del consumo

MWh/año

Cataluña

17,3%

73.614.961

Andalucía

14,5%

61.794.911

Madrid

11,4%

48.500.723


9,8%

41.683.231

País Vasco

7,7%

32.805.117

Galicia

7,2%

30.432.230

Castilla León

5,0%

21.292.575

Castilla-La Mancha

4,3%

18.082.759

Asturias

4,1%

17.337.764

Aragón

4,0%

17.209.371

Canarias

3,3%

14.085.150

Región Murciana

3,0%

12.904.255

Baleares

2,2%

9.315.601

Navarra

2,0%

8.451.724

Cantabria

1,8%

7.625.890

Extremadura

1,7%

7.023.554

La Rioja

0,7%

2.791.351

TOTAL

100,0%

424.951.167

963

Distribución de la generación de la energía en el nuevo modelo Tabla 56.5. Posibilidades de autoabastecimiento de energía eléctrica consumida en Cataluña para 2040. Comunidad

Cataluña

Energía consumida 2040

73.614.961

% a aportar en EE RR Energía a aportar [:

MWh/año

70,8% 52.135.936

MWh/año

MW

h/año 4.000

Eólica en mar

2.000

2.786

5.571.360

Termosolar

2.500

3.548

8.869.500

Fotovoltaica

500

1.927

963.600

Olas

750

964

Biomasa y residuos

500

7.446

200

7.972

Otros (incluye cogeneración) TOTAL

2.628

MWh/año

Eólica en tierra

10.450

10.512.000

722.700 3.723.000 1.594.320 31.956.480

Tasa de cobertura de la energía renovable (sobre EE RR)

61,3%

Tasa de cobertura de la energía renovable (sobre el TOTAL)

43,4%

tasas de autoabastecimiento de energía eléctrica por lo que hace referencia a las EE RR. La Tabla 56.5 muestra las posibilidades de Cataluña. Como indica la Tabla 56.5, se trata de instalar del orden de 10.450 MW, lo que representa alrededor de 32 Twh al año. En 2008 la energía eólica en tierra no estaba muy desarrollada en Cataluña. Sin embargo, este mismo año existían numerosos proyectos en fase instalación, de puesta en marcha, y otros de futuro, que, en el caso de la eólica onshore, superan ampliamente esta cifra.

Cataluña no dispone de mucha costa, a excepción de Girona, con posibilidades de generar energía undimotriz. Sin embargo, la energía cinética de las olas es enorme; por ejemplo, una ola de 1,5 m de altura (muy propias del Mediterráneo) y de periodo de diez segundos, representa una potencia de más de 14,5 MW por kilómetro de costa. Tampoco hay ningún parque eólico marino y la desembocadura del río Ebro parece un paraje idóneo para ello. Por otra parte, no existe ninguna política decidida encaminada a potenciar el uso de la biomasa o de convertir en energía la ingente

Tabla 56.6. Posibilidades de autoabastecimiento de energía eléctrica consumida en Andalucía para 2040. Comunidad

Andalucía

Energía consumida 2040

61.794.911

% a aportar en EE RR Energía a aportar [:

MWh/año

70,8% 43.764.684

MWh/año

MW

h/año

MWh/año

Eólica en tierra

6.000

2.628

15.768.000

Eólica en mar

3.000

2.786

8.357.040

12.000

3.548

42.573.600

800

1.927

1.541.760

Termosolar Fotovoltaica Olas

964

1.927.200

Biomasa y residuos

500

7.446

3.723.000


200

7.972

1.594.320

TOTAL

2.000

24.500

75.484.920

Tasa de cobertura de la energía renovable (sobre EE RR)

172,5%

Tasa de cobertura de la energía renovable (sobre el TOTAL)

122,2%

964


cantidad de residuos que genera esta comunidad, la más industrializada de España. Con todo ello la tasa de autoabastecimiento con energía renovable para esta comunidad se situaría cerca del 45%. La energía procedente del gradiente salino precisa, obviamente, de una fuente de agua dulce (río) y salada. Los ríos en Cataluña, a excepción del Ebro, son poco caudalosos e irregulares. Sin embargo el potencial eléctrico derivado del gradiente salino debería tenerse en cuenta. En otra tesitura se sitúa Andalucía. Sus posibilidades de EE RR son enormes. La Tabla 56.6, en la

misma línea de la anterior, muestra que la tasa de autoabastecimiento con EE RR es mucho más de la necesaria para la comunidad. Hay que tener en cuenta que semejante instalación de EE RR, en particular la termosolar, supone una ocupación importante del territorio, por lo que es necesario buscar aquellos emplazamientos que minimicen el impacto ambiental. Estos dos ejemplos, llevados a cabo sobre las comunidades de mayor consumo de electricidad de España, ponen de manifiesto la variedad y “riqueza energética” de las diversas zonas de España.

Optimización del coste de generación Existen, a partir del modelo proyectado, otros mix que, sin duda se adaptarían mejor a las peculiaridades de las diversas CC AA. Por ejemplo, aquel que apostase por el menor coste económico en la generación de la energía eléctrica, por encima de otros criterios, siempre y cuando sea capaz de satisfacer la demanda de energía eléctrica en el año 2040. Para minimizar los costes económicos se deben tener en cuenta diversos criterios: •

•

•

Capacidad de almacenamiento de los embalses y, naturalmente, el régimen pluviométrico, casi imposible de predecir a largo plazo. Aunque el modelo proyectado lo supone sensiblemente constante, las perspectivas a largo plazo pronostican más sequía en la península. Hibridación de la tecnología termosolar con la biomasa. Ello, junto a la capacidad de almacenamiento de energía solar en forma, por ejemplo, de sales fundidas puede hacer de esta tecnología uno de los pilares del sistema de generación. Optimización tecnológica del mix, de forma que sea posible suministrar el total de la electricidad demandada.

Otra posible combinación para conseguir un mix de generación de electricidad a partir, exclusivamente, de energías renovables sería aquella que aprovechase la gestión de la demanda intentando reducir aún más el coste económico de generación.

Por gestión de la demanda se entiende el conjunto de acciones que pueden influir directamente sobre los consumidores para incentivar el ahorro de energía. La demanda eléctrica coincide en el tiempo con su consumo, puesto que la electricidad no se almacena, lo que supone necesariamente una coordinación de la producción de la energía eléctrica, así como la racionalización y optimización entre las decisiones de inversión en generación y en transporte de energía eléctrica. El consumidor solo demanda cuando consume, y el sistema eléctrico debe suministrar la potencia demandada en ese preciso momento. En la gestión de la demanda, las acciones a aplicar son diversas, como la promoción del ahorro y de la eficiencia energética en el consumo eléctrico, o la formación a los consumidores en materia de hábitos de consumo. A escala del consumidor individual, que año tras año cobra mayor protagonismo frente a los grandes consumidores industriales, es preciso llevar a cabo una campaña de educación para optimizar la gestión de la demanda. Por ejemplo, muchas labores domésticas: aparatos electrodomésticos o incluso refuerzos de calefacción, deberían programarse en horas en las cuales la oferta sea más importante. Todo ello es relativamente fácil de convertirse en realidad en un escenario de energía distribuida y de viviendas informatizadas y domóticas. La Tabla 56.7, a título de conclusión, muestra el resumen del mix de energía que debe producirse, en el horizonte de 2040, para optimizar los costes de generación de electricidad.

965

Distribución de la generación de la energía en el nuevo modelo Tabla 56.7. Mix de generación en el horizonte de 2040. 2007

2040

%

%

Carbón + FO

27,0%

0,0%

Ciclo combinado GN

23,5%

8,4%

Nuclear

17,7%

10,9%


8,5%

7,5%

Sistema de generación

Mini hidráulica

2,6%

2,3%

Eólica en tierra

10,3%

26,9%

Eólica en mar

0,0%

12,0%

Termosolar

0,1%

17,7%

Fotovoltaica

2,0%

1,3%

Undimotriz

0,0%

3,1%

Biomasa y residuos

3,4%

4,8%


4,9%

5,0%

TOTAL

100,0%

100,0%

Total energía generada (TWh/año)

263,86

424,95

El transporte eléctrico en el nuevo modelo. Generación distribuida El transporte de electricidad es el conjunto de acciones que permiten llevar esta energía desde los lugares donde se genera hasta los puntos de consumo. En el caso de la electricidad, el coste del transporte resulta bastante económico comparado con otras formas de energía. Los sistemas eléctricos de energía se pueden clasificar en tres componentes principales: generación, red de transporte (alta tensión) y red de distribución (media y baja tensión). La red de transporte une la generación con las subestaciones de distribución, que proporcionan la alimentación a los usuarios a través de la red de distribución. Las incidencias en esta conexión producen una interrupción del flujo de potencia desde los generadores hacia los consumidores. La generación y el transporte de la electricidad suele utilizar corriente alterna, ya que es fácil reducir o elevar el voltaje con transformadores. De esta manera, cada parte del sistema puede funcionar con el voltaje más apropiado. Las instalaciones eléctricas tienen seis elementos principales: • La central eléctrica. • Los transformadores, que elevan el voltaje de la energía eléctrica generada a las altas

• •

• •

tensiones utilizadas en las líneas de transporte. Las líneas de transporte. Las subestaciones donde la señal baja su voltaje para adecuarse a las líneas de distribución. Las líneas de distribución. Los transformadores que bajan el voltaje al valor utilizado por los consumidores.

La energía se va perdiendo desde la central eléctrica hasta cada hogar de la ciudad. (La cadena de central térmica convencional, red de transporte, iluminación eléctrica por bombilla de incandescencia tiene, en 2009, una eficiencia del 6 al 7%. La concatenación de rendimientos es: combustible: 100%, central termoeléctrica 37%, transporte 90%, iluminación: 19%). Los factores que más afectan al transporte de energía son: • Resistividad: que provoca que la corriente eléctrica no llegue con la misma intensidad debido a la oposición que presenta el conductor al paso de la corriente. La resistencia que ofrece el cable depende de: — Diámetro o área de la sección transversal.

966


La conductividad disminuye al reducir el grosor del cable (a mayor diámetro, menor resistencia). — Material con que está hecho. — Longitud. La conductividad de un cable es inversamente proporcional a la longitud y la resistencia es directamente proporcional a la longitud. — Cambios de temperatura que sufre. Al paso de la corriente, la resistividad se ve incrementada ligeramente al aumentar su temperatura. • Capacitancia: porque a medida que se transfiera más carga al conductor, el potencial del conductor se vuelve más alto, lo que hace más difícil transferirle más carga. El conductor tiene una capacitancia determinada para almacenar carga que depende del tamaño y forma del conductor, así como de su medio circundante. Casi toda la energía eléctrica producida en España es generada en grandes centrales alejadas de los centros de consumo, y con un sistema de transporte y distribución centralizado, donde el punto débil es la eficiencia con grandes pérdidas energéticas en forma de calor. Las líneas eléctricas de alta tensión han estado diseñadas para trabajar a una temperatura de funcionamiento continuo de 50 ºC. El aumento de la demanda ha provocado que la temperatura se incremente hasta los 80 ºC, con la pérdida de corriente, por efecto Joule, que ello supone. El importante incremento de la demanda de energía el los últimos años (1995 a 2008) ha sido atendido mediante el crecimiento de la oferta de energía generada en grandes centrales, con elevadas inversiones en infraestructura que esto implica, lo que provoca una sobreexplotación de la red

de transporte de energía y la consiguiente merma en la disponibilidad de la misma por un incremento de las desconexiones, y una mayor dependencia de esta red única que alimenta la mayor potencia instalada. Una solución alternativa para atender el crecimiento de la demanda eléctrica es el fomento de la generación con fuentes limpias en pequeñas unidades, y su integración en una red de distribución metropolitana o la creación de pequeñas redes, haciendo disminuir la dependencia de la demanda eléctrica local, de la red de transporte de energía central. Esta solución es lo que se conoce como generación distribuida. De esta manera se puede conseguir una mejor utilización de los recursos distribuidos de generación abordando el conjunto de la microgeneración como un subsistema o “microrred”. La microrred puede gestionarse como si fuera en su conjunto una unidad predecible de generación y consumo consiguiendo así mejorar la continuidad del suministro, además de poder optimizar la localización y la cantidad de la generación interna. La primera generación de microrredes la conforman grandes instalaciones industriales, comerciales o institucionales, donde la demanda es bien conocida y se puede predecir con facilidad la generación requerida. Este tipo de instalación es la referencia para poder desarrollar un marco adecuado que permita la extensión del concepto de microrred y compatibilizarlo con una gestión eficaz y fiable de la red de distribución. La instalación de paneles solares en polígonos industriales, equipamientos culturales y deportivos, administraciones públicas, edificios (mejorando la normativa de edificación), o instalando aerogeneradores en el recinto portuario, son ejemplos concretos de cómo impulsar estas microrredes.

Los parques energéticos marinos En el sistema de generación eléctrica del futuro, como el modelo propuesto en esta obra, el mar juega un papel importante, en particular por lo que hace referencia a la eólica marina y al aprovechamiento de la energía de las olas.

En otro aspecto complementario al anterior, la producción de biocarburantes a partir de microalgas, la presencia del mar es vital. Por todo ello se piensa que, en un futuro, se construirán grandes centrales de energía en el mar. La secuencia de


instalación de estos parques energéticos marinos podría ser la siguiente: •

•

Plantar los pilares para los generadores eólicos. Ello debería realizar la misma misión que los pilares de un edificio, para obtener plataformas donde llevar a cabo el cultivo de microalgas. La parte inferior de las plataformas puede ser un lugar idóneo para ubicar diversos sistemas de generación de electricidad a partir de las olas.

•

967

En la parte más profunda, si la velocidad de la corriente lo permite, se pueden instalar generadores a partir de corrientes marinas.

Estas islas energéticas funcionarían de manera similar a como lo hacen las torres marinas de perforación y extracción de petróleo. Con vivienda para el personal, servicios de control, transformadores eléctricos, servicio de mantenimiento, etc.

EE RR para el total de la energía primaria Es curioso que hasta hoy en día se haya menospreciado la importancia del potencial de las energías renovables para el suministro de energía a gran escala. Así, por ejemplo, la entidad Energy Watch Group ha declarado, con motivo de la publicación de su estudio Wind power in context – a clean revolution in the energy sector, que las previsiones de la AIE sobre la producción de energía renovable han demostrado ser “empíricamente falsas” (esta crítica ha sido rechazada por la Agencia Internacional de la Energía). El informe del grupo muestra que el incremento total de la capacidad de la energía eólica en 2007 era significativamente más alto que el estimado por la AIE en las ediciones de World Energy Outlook de entre 1995 y 2004. Y según este grupo, la previsión de un 2% de incremento anual en la capacidad de la energía eólica durante el periodo 2010-2030 realizada por la AIE en su último informe World Energy Outlook es demasiado bajo y poco realista. El análisis de la evolución de la capacidad adicional neta de energía eólica durante los últimos diez años (1998-2007) muestra un índice de crecimiento anual del 30,4%. Los ratios de crecimiento mundiales para la energía eólica seguirán incrementándose, de manera que esta fuente de energía representará una parte importante del mercado energético en los próximos diez-quince años. El crecimiento exponencial del sector eólico, sin precedentes en los últimos diez años, debido a una amplia variedad de factores que incluyen la reducción de costes y las mejoras en los genera-

dores, proseguirá en el tiempo junto con la solar y otras energías renovables. El modelo para generar energía eléctrica a partir de las energías renovables se ha revelado factible y más barato que el modelo convencional basado en los combustibles fósiles. Sin embargo, a estas alturas del siglo XXI, podría parecer prematuro aventurar una hipótesis sobre la posibilidad de acometer la obtención de toda la energía primaria por medio de las renovables. El factor más determinante para resolver la cuestión radica en la substitución de los carburantes de automoción derivados del petróleo. Parece que existen tres vías, como ya se ha comentado en la Parte III de este libro, que se deberían ir consiguiéndose de manera consecutiva: •

•

Aumento importante de los vehículos híbridos, en detrimento de los convencionales sistemas de tracción a base, tan solo, de motores de explosión. El combustible para los automóviles híbridos debe ser progresivamente biocarburante (basándose en los conocimientos de 2009, la única fuente de suministro de biodiesel y bioalcohol, en grandes cantidades con poca afectación al medio ambiente, son las microalgas) y/o el biodiesel sintético obtenido a partir de residuos, todos ellos pueden sustituir el petrocarburante. Implantación progresiva de vehículos accionados por pila de combustible de hidrógeno. De hecho se trata de coches eléctricos pero donde la fuente de energía es el hidró-

968

•


geno. El hidrógeno puede conseguirse a partir de la electrólisis del agua con electricidad renovable, lo que implica el trasiego del hidrógeno. Una alternativa más viable, hoy en día, consiste en alimentar el depósito con etanol y un reformador catalítico a bordo transforma el alcohol (bioalcohol) en hidrógeno. Otra vía paralela que debe impulsarse es la del vehículo con pila de combustible de metanol (biometanol). Generalización del coche eléctrico. Sin duda es el sistema más eficaz en términos energéticos y limpios, siempre y cuando la electricidad usada sea de fuente renovable. Por el camino debe abordarse la fabricación

de baterías que permitan una autonomía superior a 300 km, con un sistema de recarga ágil y rápido. A corto plazo, coches con doble motor, motor eléctrico para los desplazamientos cortos y de media distancia, 150 km, y motor de combustión que se utiliza en los desplazamientos largos y una vez se haya agotado la batería. La opción de un modelo por delante de los demás alterará el mix de energías que debe usarse para la progresiva obtención de la energía primaria a base de renovables. Estos autores preconizan una implantación paulatina de los tres sistemas de tracción a la vez, pero en el orden indicado.

Conclusiones. El modelo energético del futuro

57

EL MODELO ENERGETICO DEL FUTURO DEBE BASARSE MAYORITARIAMENTE EN LAS EE RR • • • • •

• •

Aunque en el mix eléctrico actual existe una contribución de las energías renovables, el modelo propuesto aboga por una aportación mayoritaria (80,7%) de este tipo de tecnologías. El cambio del sistema actual al modelo propuesto debe hacerse paulatinamente, a la vez que se cumplen con los compromisos adoptados en el Protocolo de Kyoto. En el horizonte de 2040 la tecnología más económica será la eólica onshore, dado su grado de desarrollo y conocimiento actual. La tecnología termosolar, que puede trabajar en hibridación con la biomasa, debe promocionarse a causa de su potencial y la capacidad de almacenamiento de la energía no consumida. Una posible configuración del mix es la que prioriza la diversidad tecnológica, estando todas ellas representadas en el mix, escogiendo para cada localización geográfica la que supone un menor coste económico. Otra combinación sería aquella que garantizase la generación total de energía. En este caso es importante coordinar todas las tecnologías para adaptarse a toda la demanda energética. De acuerdo con el modelo de generación de electricidad propuesto, el coste medio de generación de 2007, 5,30 c€/kWh, se reduciría, en 2040, a 2,97 c€/kWh.

Introducción El Plan de las Energías Renovables (PER) en España (2005-2010), que revisa el Plan de Fomento de las Energías Renovables (2000-2010), se compromete a que el conjunto de las energías renovables suministren el 12% del total de la energía consumida en el año 2010 y, en particular, que el 29,4% de la generación eléctrica provenga de energías renovables, y que el 5,75% del combustible para automoción sea de tipo renovables (biocarburante). De acuerdo a estos propósitos, la

Tabla 57.1 muestra la potencia instalada en España en el año 2004 y la requerida en 2010 según los requisitos del PER. Al margen del compromiso del PER, existe actualmente una contribución muy importante de las energías convencionales en el mix total de generación energética. Pero como se ha visto en esta Parte, sí es posible la producción de electricidad con una contribución casi exclusiva de las energías renovables; incluso, teóricamente, sería posible

970


Tabla 57.1. Comparación de la potencia instalada y la requerida según el PER (Fuente: Cámaras de Comercio). Potencia (MW)

Tecnología

2004

2010

Minihidráulica

1.749

2.199

Eólica

8.155

20.155

Biomasa

344

2.039

Fotovoltaica

37

400

RSU

189

189

Biogás

141

235

Biocarburantes

228

2.200

10.843

27.417

TOTAL

satisfacer el total de la energía demandada (transporte, térmica, etc.), incluyendo la electricidad. El modelo energético español, y el de todos los países en general, se enfrenta a corto y medio plazo a diversos desafíos en el ámbito de la energía, en un entorno caracterizado por una desaceleración en el crecimiento de la economía, un precio cada vez mayor de los combustibles fósiles, asociado a la dificultad de extracción, y una elevada dependencia energética y tecnológica del exterior. El paso del sistema energético actual al propuesto en el contexto del año 2040 no puede hacerse de forma brusca, sino que debe llevarse a cabo paulatinamente, con lo que también será posible ir cumpliendo sucesivamente con los compromisos propuestos en el Protocolo de Kyoto. En este sentido, son diversas las acciones que pueden desarrollarse: •

• • •

• •

Promocionar las energías renovables, valorando y optimizando su emplazamiento geográfico para aumentar su rendimiento. Mejorar la eficiencia de todos los sistemas energéticos. Apostar claramente por la energía termosolar y la undimotriz. Como sea que la energía eólica terrestre ha alcanzado su plena madurez, sería necesario apostar por la de tipo offshore. En España, la tecnología eólica terrestre está suficientemente desarrollada como para considerarla equiparable a las convencionales en cuanto a experiencia. Mejorar la gestión de la demanda de energía. Optimizar el consumo de energía en los sectores transporte y edificación.

•

Sistema eficiente de captura de CO2. La abundancia del carbón respecto al resto de combustibles fósiles hace que, si se consiguen minimizar las emisiones de GEI, pudiese llegar a ser una tecnología a tener en cuenta en modo de regulación.

En los diferentes ejemplos de mix propuestos con anterioridad se ha demostrado que son diversas las posibles combinaciones para conseguir generar, en el horizonte de 2040, electricidad con un 80% a partir de energías renovables. Además, se ha demostrado que las tecnologías de menor coste económico en el año 2040 son, precisamente, las de origen renovable, con unos costes considerablemente inferiores a las de las convencionales. Es en ese horizonte del año 2040 cuando se supone que todas las tecnologías ya estarán completamente desarrolladas, experimentadas y puestas a prueba, por lo que a igualdad de condiciones, al comparar costes, se observa que las de tipo renovable son las más económicas. Y resulta ser la eólica la más favorable de entre todas las renovables, por lo que es de suponer que a día de hoy (2009) esta tecnología se encuentra muy desarrollada e implementada a escala industrial, con lo que se llegará al año 2040 con una gran experiencia en esta tecnología. Los costes económicos se han ofrecido suponiendo que todas las tecnologías están funcionando al máximo de su capacidad. Si no se dispone de una efectiva gestión de la demanda, es necesario garantizar el funcionamiento en modo de regulación para satisfacer la demanda eléctrica en cada momento que se precise. Una de las características de las energías renovables es que su coste económico global depende


en gran medida de la inversión inicial, y menos de los costes de operación y mantenimiento. Por esta razón, las tecnologías renovables están más sujetas al factor de capacidad que las energías convencionales, cuyos costes de operación y mantenimiento son más importantes que los de inversión. De este modo, la transición desde el sistema actual a uno con mayoría de las energías renovables podría llevarse a cabo, por ejemplo, con las centrales hidráulicas y las centrales de ciclo combinado de gas natural trabajando en modo de regulación, cuyo comportamiento frente al factor de capacidad se parece al de las energías renovables. La nuclear en modo de regulación presenta la dificultad técnica para adaptarse a los cambios requeridos de potencia, lo que su empleo en este modo es más conservador. Otra cuestión es una vez se haya llegado al horizonte del año 2050 ó 2060; el mayor coste económico de las centrales de ciclo combinado con respecto a las energías renovables desaconseja su uso, incluso en modo de regulación. Cuantitativamente, la eólica terrestre emplazada en terreno plano tendrá un coste de inversión, a partir de 2015, muy reducido, y un coste entre 1,5 c€/kWhe y 4,0 c€/kWhe, trabajando a su máximo factor de capacidad y según su ubicación. Uno de los principales retos es el de alcanzar pronto un alto grado de desarrollo en la eólica marina, que tendrá un coste de inversión nada comparable con el actual, y un valor de coste que oscilará, aproximadamente, sobre el doble de la homóloga en tierra; costes, en ambos casos, inferiores a los de las energías convencionales, tal y como se ha mostrado. Una tecnología de ámbito marino es la undimotriz, capaz de aprovechar directamente la energía contenida en las olas, aunque actualmente su desarrollo en la península Ibérica aún se encuentra en sus inicios, por lo que resulta un poco complicado extrapolar su comportamiento hasta el año 2040. La energía proveniente de las olas tendrá en el año 2040 un coste de inversión inferior a la tecnología eólica marina y un coste asociado del mismo valor que la offshore. Otra de las tecnologías renovables que se debe promocionar es la termosolar, ya que tiene un elevado potencial, y es una de las que presenta un me-

971

nor coste de operación y mantenimiento. Es una tecnología que puede trabajar en hibridación con la biomasa, ofreciendo muy buenos rendimientos energéticos. Además, permite la posibilidad de almacenar la energía no consumida, lo que resulta muy ventajoso en esta propuesta de mix de generación. En cuanto a las energías convencionales referenciadas, la tecnología de ciclo combinado con gas natural tiene un coste actual de 6,16 c€/kWhe, pudiendo ser en el año 2040 casi el doble o más ya que el 80% del valor depende del precio del combustible (en el modelo propuesto se ha considerado que, en el peor de los casos, el coste no doblará el actual de referencia). Las causas de este aumento económico son diversas: • • •

Incremento del precio del combustible. Agotamiento y dificultad en la extracción del recurso. Internalización de los costes asociados a la emisión de CO2 a la atmósfera.

Por otra parte, la energía nuclear de fisión, la denominada de segunda generación, pertenece a una tecnología que tiene más de cincuenta años, que si bien es segura, se le puede criticar que genera gran cantidad de residuos (el combustible se gasta muy poco, a veces ni el 2%, cuando se procede a la recarga), y en general, el rendimiento es reducido. Por otra parte, es un tipo de tecnología de generación de electricidad que cumple con el compromiso de Kyoto en el sentido de que durante su proceso de operación no se producen emisiones de CO2. Este modelo propone la paulatina sustitución de estas antiguas centrales de fisión por otras de tercera generación cuyas principales ventajas son: • •

Pueden consumir el combustible hasta un 60% (reducción de residuos). Los reactores son compactos y trabajan a alta presión lo que permite alcanzar rendimientos de casi el 50%, con una gran seguridad.

En el caso de España, ambas tecnologías –ciclo combinado y nuclear– adolecen del mismo problema: la dependencia del suministro externo.

972


Alternativas de los diversos mix de generación La ventaja de las tecnologías renovables, en cuanto a coste económico se refiere, es que una vez se han internalizado todos sus costes, cosa que no se realiza actualmente con las energías convencionales, su coste global es inferior al de las tecnologías tradicionales. De alguna forma, el cambio del sistema energético actual al propuesto en el año 2040 debe llevarse a cabo paulatinamente, de manera que los usuarios (industrias, comercios, particulares, etc.) no se vean perjudicados en sus hábitos de consumo. Igualmente se requiere internalizar los costes, lo que finalmente incrementará el precio de la electricidad de origen fósil, aunque este aumento se verá compensado con la elección de un sistema sostenible, generado al 73,2% a partir de energías renovables, cuyo coste económico resultará al final menor que el actual. De hecho, las posibles combinaciones del mix de generación son diversas, dependiendo del criterio priorizado en cada caso y para cada región. En todos los supuestos es posible suministrar, con un mix formado al 70% por energías renovables (de hecho supera con mucho el 73,2%, ya que en este valor no se incluye la hidráulica convencional), la electricidad necesaria en el año 2040, y que equivale a 424,9 TWhe. Una de las posibles configuraciones del mix es aquel en que la diversidad tecnológica es la principal razón que prevalece; es decir, todas las tecnologías renovables estarán representadas en mayor o menor medida en el mix, siempre escogiendo para cada localización geográfica la que supone un menor coste económico. En función de las características de cada comunidad autónoma, se precisa de una potencia total instalada diferente, lo que permite minimizar el coste de generación, ya que

el factor inversión tiene un peso específico muy importante en la formación de los costes totales. La ventaja de la gran variedad de tecnologías es que permite disponer de un suministro muy regular en el tiempo; por ejemplo, en primavera y verano son más efectivas la energía fotovoltaica y la termosolar, mientras que en las temporadas de otoño e invierno la eólica (onshore y offshore) y la undimotriz ofrecen un mayor rendimiento. De esta forma, al garantizar el suministro a lo largo del año es posible instalar menos potencia. Asimismo, en este caso es posible aprovechar la capacidad de regulación de la energía hidráulica, además de las de la biomasa y la geotérmica, ya que tienen una alta capacidad de acumulación, aparte de garantizar un elevado nivel de potencia a lo largo del año, lo que haría factible mantener la demanda energética incluso en los periodos pico. ¿Cuál es el inconveniente entonces? Que al trabajar en modo de regulación disminuye el factor de capacidad, del que son tan dependientes las energías renovables, con lo que al final aumentaría el coste económico. Así pues, la solución pasaría por buscar un equilibrio basado en la estructura de costes de cada una de las tecnologías. En una visión más futurista, otra posible combinación de tecnologías renovables sería aquella que garantizase la generación total de energía, incluyendo también a la energía eléctrica. En este caso es muy importante coordinar todas las tecnologías para adaptarse a toda la demanda energética. En definitiva, sí es posible adoptar a mediados del siglo XXI un sistema energético basado completamente en un mix de energías renovables, más económico y, sobre todo, más sostenible que el sistema actual, capaz de garantizar una cobertura total de la demanda energética, incluso en las horas pico.

Resumen del coste de generación previsto para 2040 A título de conclusión, la Tabla 57.2 muestra la comparación del coste medio de generación de la electricidad en 2007, año tomado como referencia, y 2040, horizonte al que se pretende llegar con el 73,2% de producción de electricidad a partir de

fuentes renovables. La tabla compara dos supuestos a partir de la realidad de 2007: •

Si se decidiera no incrementar la potencia en fuentes renovables y se siguiera con el mismo mix actual pero a costos de 2040 (en

973


•

realidad las EE RR aumentarían la parte proporcional al incremento total de consumo de electricidad en el país). Si se aplicara, como postula el modelo defendido por estos autores, generar más del 73,2% (más si se incluyera la energía hidráulica convencional) de la electricidad a partir de fuentes de origen renovable.

De hecho, la gran incógnita que entrañan los resultados de la Tabla 57.2 es acertar en el coste de generación de la electricidad en 2040 prolongando el modelo de 2007, ya que los bruscos vaivenes de los costes de los combustibles fósiles no

augura ninguna seguridad ni estabilidad y muchos expertos piensan que si se internalizan los costes ambientales y los previsibles incrementos de combustibles, la cifra de 6,45 c€/kWh fácilmente podría doblarse en el umbral de 2040. Tabla 57.2. Comparación de la evolución de costes según el mix elegido para generación de electricidad. Mix de generación

c€/kWh

% Renovables

Mix promedio de 2007

5,30

23,3%

Mix de 2007 a precios de 2040

6,45

23,3%

Mix según modelo propuesto para 2040

2,97

73,2%

974


Bibliografía. Parte VII Alonso I.Una visión sobre la energía nuclear en España. DYNA, Marzo 2007. Vol82, nº 2. Aso Aguarta I, et al. Energía eólica e hidrógeno, una simbiosis anticipada. DYNA, Abril de 2008, Vol. 83, nº 3, 127-133. Collett, Timothy S, et al. Oilfield Review. Otoño 2000. Danish Wind Energy Association (www.windpower.org). Elias Castells X. Tratamiento y valorización energética de residuos. Madrid, Ed. Díaz de Santos. 2005. Elias Castells X. ¿El real decreto 661/2007 trata de promover la electricidad de origen renovable?. Expoquímia. Barcelona 2008 Greenpeace. Energías renovables (www.archivo.greenpeace.org). Greenpeace. Renovables 100%. Comparativa de costos. Un sistema elèctric renovable per a l’Espanya peninsular y la seva viabilitat econòmica. 2006. Greenpeace. Renovables 100%. Un sistema eléctrico renovable para la España peninsular y su viabilidad económica. 2006. Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (www.iact.csic.es). Kreith F, Yogi Goswami D. Handbook of energy efficiency and renewable energy. Boca Raton, CRC Press, 2007. Marcos Fano JM. La generación de energía hidroeléctrica. Anales de Mecánica y Electricidad, Enero-Febrero de 2006. Peña Alzola R, Sebastián Fernández R. Baterías electromecánicas. Volantes de inercia para el almacenamiento temporal de energía. DYNA, 2008, Vol. 83, nº 7, 440-444. Revista InfoPower, Junio 2006. Robles S. Technical Conference on Renewable Energies. Madrid, Junio de 2007. Rosell J. ¿Y después del petróleo qué? Luces y sombras del futuro energético mundial. Bilbao, Ediciones Deusto. 2007 UNESA (www.unesa.es). World Wind Energy Association (www.wwindea.org).

Índice analítico

Abastecimiento energético español, 50 Absorción, de infrarrojo, 821 máquina de, 612 ACEA, 241 Aceite(s), a partir de microalgas, 853 bruto, 784 de pirólisis, 874 esterificado, 784 microalgas con alto contenido en, 833 productividad de, 785 proveniente de algas, 838 refinado, 784 residuos de la industria del, 795 térmico, 621 vegetales, 758 Ácido(s), carbónico, 160 grasos, 837 no saturados, 784 Acondicionamiento del aire, 490 eficiencia en las instalaciones, 493 Acristalamiento, aislamiento acústico del, 477 ACS, demanda de, 609 Actuaciones para la Gestión y Utilización del Agua (AGUA), 185 Acuíferos, salinización de los, 178 sobreexplotación de los, 175 Acumulación de calor, aplicaciones, 561 Acumuladores de calor, residuos para fabricación de, 558, 559 ACV, 556 ACV (análisis de ciclo de vida), 548

I

ADEME (Agence de l’Environment et de la Maitrise de l’Energie), 244 Aditivos oxigenados en gasolina, 281 Administración Federal de Aviación (FAA), 254 ADN, 139 AEE (Asociación Empresarial Eólica), 940 AEMA (Agencia Europea del Medio Ambiente), 232 AENOR (Asociación Española de Normalización y Certificación), 745 Aerodinámica del tren, 259 Aeroelasticidad, 669 Aerogenerador(es), curva de potencia de un, 939 de eje horizontal, 657 Aeropuertos, 251 Agence de l’Environment et de la Maitrise de l’Energie (ADEME), 244 Agencia de Medio Ambiente (EEA), 884 Agencia Europea de Medio Ambiente (EEA), 383 Agencia Europea de Seguridad Aeronáutica (EADS), 254 Agencia Internacional de la Energía (AIE), 6 Agentes floculantes, 867 Agroalimentación, 857 AGUA (Actuaciones para la Gestión y Utilización del Agua), 185 Agua caliente, producción de, 533 sanitaria (ACS), 495 Agua(s), de lastre, 278 déficit de, 196 disociación del, 732 electrólisis del, 336, 666, 919 evaporación del, 196 gestión del, 184

976


marinas, energía térmica de las, 710 oscilante, columna, 700 pérdidas, 196 precio del, 184 regeneradas, 195 Ahorro, de la energía doméstico agua, 198 energético, 94, 442 en la vivienda, 575 films, 479 pérdidas y, 478 AIE (Agencia Internacional de la Energía), 6 Aire, acondicionado, en edificios, 614 sistemas de, 491 acondicionamiento del, 490 comprimido, 912 de la atmósfera, 272 Aislamiento, acústico del acristalamiento, 477 con poliuretano, 469 de las viviendas, 893 de poliestireno, expandido (EPS), 467 extruido, 172 en las ventanas, 474 optimizado, viviendas con, 588 térmico, 460, 561 Aislante(s), características, 463 efecto, 482 para la rehabilitación, 467 superficies acristaladas, 479 Albedo, de la superficie de la tierra, 603 de los desiertos, 603 Alcohol(es), 786 cultivos para producción de, 789 obtención del, 759 Alga(s), aceite proveniente de, 838 azul-verdosa, 835 biomasa de las, 842 cloroplasto de las, 743 diatomea, 836 dorada, 835 fotoautotróficas, 847 mutante, 743 reproducción de las, 847 torta de, 851 unicelular, 836 verde, 835 Almacenamiento, de gas, 908

de la Energía, 901, 907 geológico, 158, 162, 163 de dióxido de carbono, 124 del CO2, 158, 162, 163 productos petrolíferos, 69 subterráneos, 909 térmico, 622 con cambio de fase, 567 Almacenar energías en sales minerales, 615 Alquitranes, producción de, 813 Alta concentración, sistema de alta, 617 Aluminio, espejos multilaminares de, 627 Amoniaco helado, 165 Amorfos, 632 Análisis de ciclo de vida (ACV), 548 ANAS (Asociación Nacional de Arquitectura Sostenible), 550 ANAVIF (Asociación Nacional para la Vivienda del Futuro), 550 Andasol II, 625 ANEFA (Asociación Nacional de Empresarios Fabricantes de Áridos), 431 ANFAC (Asociación Nacional de Fabricantes de Automóviles), 283 APPA (Asociación de Productores de Energías Renovables), 899 Arcilla expandida, 464 Áridos, consumo anual de, 431 Arquímedes, efecto, 701 Arquitectura, bioclimática, 513, 514 futuro de la, 530 posibilidades de la EE RR, 531 solar pasiva, 607 ASENFO (Asociación Nacional de Empresas Forestales), 764 ASIE (Asociación de Industrias Fotovoltaicas), 945 Asociación de Industrias Fotovoltaicas (ASIE), 945 Asociación de la Industria Fotovoltaica, 636 Asociación de Productores de Energías Renovables (APPA), 365, 899 Asociación Empresarial Eólica (AEE), 940 Asociación Española de la Industria Eléctrica (UNESA), 58, 63 Asociación Española de la Industria Fotovoltaica (EPIA), 648, 884 Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR), 745 Asociación Europea de Energía Eólica (EWEA), 952 Asociación Nacional de Arquitectura Sostenible (ANAS), 550 Asociación Nacional de Empresarios Fabricantes de Áridos (ANEFA), 431 Asociación Nacional de Empresas Forestales (ASENFO), 766

Índice analítico Asociación Nacional de Fabricantes de Automóviles (ANFAC), 283 Asociación Nacional para la Vivienda del Futuro (ANAVIF), 550 ATC (Almacén Temporal Centralizado), 929 Atmósfera, 272 aire de la, 272 emitidos a la, 273 Autoabastecimiento de energía en España, 46 Automóvil(es), contaminación de, 301 consumo del, 250 eléctricos, 725 Autopistas, del mar, 265 ferroviarias, 259 Aviación Civil Internacional (OACI), 251 Aviación, consumo de carburante, 252 Aviones, ecológicos (proyectos de), 255 reducción de consumo combustible, 254 ruido de los, 293 Solar Impulse, 255 Sunseeker II, 256 Azufre en los carburantes, 281

Bacterias, acidófilas, 863 electroquímicas, 919 ferrooxidantes, 864 hidrofóbicas, 897 mesófilas, 824 metanogénicas, 803 R, genoma de las, 868 sulfato reductoras, 866 termófilas, 824, 866 Barcazas de transporte fluvial, 264 Baterías, elecromecánicas, 914, 918 estacionarias, 635 recarga de las, 322 secas, 907 tradicionales, 358 Betz, ley de, 653 Bioaceites, cultivos para la producción de, 785 Bioalcoholes, cultivos energéticos, 759 de chumbos, 789 Biobutanol, 863 Biocapacidad, 138 Biocarburantes, 94 de aceites, 376 de primera generación, 362 de segunda generación, 362, 365 líquidos, 742

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sintéticos, 385 producción y legislación, 365 sostenibilidad, 791 Biocatalizador, 860 Biocombustible(s), 303 B20, 783 B100, 783 directiva de, 782 sostenibles, 395 Bioconversión directa de la energía solar, 833 Biodiesel, 366, 368, a partir de residuos, 390 definición de, 783 residuos secundarios, 380 síntesis de, 840 Biodiversidad, pérdida de la, 226 Bioenergía, 734 Bioetano celulósico, 388 Bioetanol, 366, 367 BioETBE; 366 Biofiltración, 860 Biofotólisis, directa, 849 indirecta, 849 Biogás, 366 electricidad a partir de, 803 extracción de, 212 fermentación mecánica para producción de, 802 generación de, 857 producción de, 375, 807 Biogasificación, reactor de, 801 Biohidrógeno, producción de, 849 Biohidrometalurgia, 863 Biolixiviación, 860 Biología molecular, 180 Biomasa, 370 almacenada, 746 almidonada, 786 análisis inmediato, 755 azucarada, 786 celulósica, 786 de alto grado, 752 de origen urbano, 753 electricidad a partir de la, 949 energía para la, 540 forestal, 120 gasificación de, 805 residual, 773 friabilidad, 755 gasificación de la, 118, 810 hibridación con la, 971 lignocelulósica, 743, 873 metanización de la, 116 potencial de, 382 productos de, 750

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residual, 753 residual por hectárea, 773 vegetal, 751 Biometanización, 822 Biometanol, 366 BioMTBE, 366 Bio-oil, 791 Bioproducción, 859, 860 Biorrecuperación de metales, 866 Biorrefinerías, industriales, 872 integradas, 873 Biorremediación, enzimática, 859 microbiana, 859 Biosorción de metales, 866 Biotecnología, 391 ambiental, 859 aplicada a la producción de materiales, 861 en la industria materias primas, 863 energética, 863 industrial, 858, 859 moderna, 856 Biotransformación, 858 procesos de, 860 Bobina superconductora, 917 Boiling water reactor (BWR), 146 Bombardeo fotónico, 630 Bombas de calor, 496 reversibles, 497 Bombonas de aire comprimido, 912 Bordes de las palas, acabado de los, 669 Bosque, uso extensivo del bosque, 756 Buque “beluga Skysails”, 269 BWR (boiling water reactor), 146

CAES (compressed air energy storage), 911 CAFÉ, programa, 280 Calderas, 495 de baja temperatura, 495 de condensación, 98, 495 Calefacción, 494 centralizada, 793 por suelo radiante, 534 sistemas de, 494 solar, 535 y refrigeración de distrito, 499 Calener, 94 GT, 587 programa, 448 VYP, 587 Calentamiento, del agua para uso domestico, 608 global, 275

Calidad, de la energía, 906 del viento, 940 Calor, acumuladores de, 559, 563 de los materiales, almacenamiento de, 562 de vaporización, 804 Cambio climático, 9 Cambio de fase, almacenamiento térmico, 567 Canal de paso, 706 Caña de azúcar, 891 Capa fina, 637 fotovoltaicos de, 641 semiconductores de, 639 Capilaridad, 191 Captación, de CO2, 158 fotovoltaica en el espacio, 646 y secuestro de CO2, 875 Captadores orgánicos, 645 captura y secuestro (CCS), 163 Car sharing, 241 Carbohidratos, concentración de, 835 Carbón, 14 reservas de, 7 superficie interna del, 736 Carbono, en los océanos, 161 inorgánico, 161 nanotubos de, 192 orgánico, 161 Carborreducción del óxido metálico, 731 Carburantes, azufre en los, 281 de segunda generación, 752 impuestos en los, 303, 884 Carga, energética, materiales compuestos cerámicos, 549 de construcción, 549 térmica, 447 Carnot, ciclo de, 22 máquina de, 22 teorema de, 905 Carruseles abiertos, 846 Cartografía sonora, 291 Casa Barcelona, proyecto, 554 Casas pasivas, 430 Castor, proyecto, 910 Catalizador, de oxidación, 290 de reducción, 290 Cavitación hidrodinámica, 775 CCAT (transporte de corriente continua a alta tensión), 106

Índice analítico Cebaderos de aves, 777 Cecoel (Centro de Control Eléctrico de Red Eléctrica), 60 Células, fotovoltaicas, clasificación de las, 631 degradación de las, 634 eficiencia de las, 633 previsiones de eficiencia, 645 híbridas orgánicas/inorgánicas, 642 solares ultrafinas, 638 Central(es), con regulación, 685 de bombeo, 690 de ciclo combinado, 928 de evaporación flash, 678 de producción eléctrica geotérmica, 678 de vapor seco, 677 eléctricas, 57 fluyentes, 685 híbridas, 621 hidráulicas, reversibles, 659 accionadas por el viento, 667 hidroeléctricas, 684, tipos, 685, 688, funcionamiento, 687, reversibles, 690, 691, 913 hidroeólica, 723 maremotérmicas, 711 futuro, 711, características, 711 minihidráulicas, 684, 691 nucleares, 146 de fisión, 929, 945 reversibles, 690, 691 termosolar, 615 Centro de Control Eléctrico de Red Eléctrica (Cecoel), 60 Cerámicas, 457 Ceros eléctricos, 671 Certificación, de eficiencia energética, etiqueta, 586 Energética de los Edificios (CTE), 582, 586 térmica de los edificios, 94 CFE (Comunidad de Ferrocarriles Europeos), 258 Chimenea solar, 519, 627 Chumbos, bioalcohol de, 789 ciclo cerrado de, 122 Ciclo, de Carnot, 22 de Rankine, 23, 25 Kalina, 678 Otto, rendimiento de, 329 perfecto de la energía, 169 Cilindros parabólicos, 620 Clasificación, de las células FV, 631

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de materiales, 456 aislantes, 463 particulado 273 Climatización geotérmica, 541 ventajas, 541 Clorofila, moléculas de, 743 Cloroplastos, 837 de las algas, 743 CNE (Comisión Nacional de la Energía), 945 CO2, importancia del, 847 Cobertura de la demanda, 75 Coche eléctrico, electricidad consumida por, 317 Código Técnico de la Edificación (CTE) , 94, 132, 582 Coeficiente integral de transmisión de calor, 451 Cogeneración, 96, 498 eficiencia de, 501 Columna de agua oscilante, 700 Combustibles, a partir de la celulosa, 790 convencionales, coste de los, 956 de alta densidad, 775 de mayor eficacia, 762 de segunda generación, 790 densidad de energía, 340 pila de, 306 poderes caloríficos, 755 Combustión, comportamiento de gases y vapores, 815 de carburantes, contaminantes, 276 del hidrógeno, 334 directa, 828 en lecho fluidizado, 145 gases de, 300 Comisión Nacional de la Energía (CNE), 635, 945 comparación de sistemas, 154, Composición de los purines, 779 Composites, 455 Compressed Air Energy Storage (CAES), 911 Compuestos, binarios, 632 de materiales, 455 ternarios, 632 Comunidad de Ferrocarriles Europeos (CFE), 258 Concentración de carbohidratos, 835 Concentradores cilindro parabólicos, 616 Conducción, 458 eficiente, 250 Conductividad térmica, 459 Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), 868 Consumo anual de áridos, 431 Consumo carburante en aviación, 252 Consumo, de agua per cápita, 192, 197 de electricidad, 8

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de energía, 5 en vivienda, 424, 429 de petróleo, 238 del automóvil, 250 eléctrico, previsión hasta 2040, 724, curva de demanda, 724 energético, trenes alta velocidad, 261 intensidad de, 896 gasolina, reducción, 285 hídrico para el cultivo, 225 mundial de energía eléctrica, 84 per cápita, 192, 197 Contaminación, acústica, 290 atmosférica, tráfico urbano, 244 de automóviles, 301 del tráfico, 287 Contaminantes, 273 de combustión de carburantes, 276 Convección, 458 Convenio Internacional sobre Desertización, 172 Conversión, biológica de nutrientes, 835 energética, 120 sistemas de, 819 Convertidor, CA/CC, 703 catalítico, 289, 290 Cores (Corporación de Reservas Estratégicas de Productos Petrolíferos), 52 Corporación de Reservas Estratégicas de Productos Petrolíferos (Cores), 52 Corriente(s), del Golfo, 707 marinas, energía de las, 707 turbinas para, 709 submarina, 707 Coste, de generación de electricidad en España, 86 de generación eléctrica, previsiones, 972 de la electricidad y las EE RR, 87, 722 medioambiental, 399 Craqueo térmico, 809 Creosotados, madera, 876 CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas), 868 CTE (Certificación Energética de los Edificios), 586 CTE (Código Técnico de la Edificación), 582 Cubierta ajardinada de tierra, 552 Cultivos, consumo hídrico para los, 225 de árboles frutales, 771 de microalgas, 834, 848 de oleaginosas, 758

en invernadero, 178 energéticos, 177, 748, 756 mejora, de, 857 hidropónico, 178 para alcoholes, 789 Cumbre de Copenhague, 11 Curva, de demanda eléctrica, 72 de potencia de un aerogenerador, 939

DB-HE (Documento Básico Ahorro de Energía), 584 Decantación de glicerol, 840 Decibelio (dB), 290 Déficit, de agua, 196 ecológico, 138 tarifario, 87 eléctrico, 926 energía eléctrica, 87 Definición de biodiesel, 783 Degradación, biológica, 833 de las células FV , 634 del CO2, 167 Demanda, biológica de oxígeno, 808 cobertura de la, 75 de ACS, 609 de energía , 36 para transporte, 312 eléctrica, curva de, 72 pico de, 75 energética, 449 química de oxígeno (DQO), 802, 808 Densidad, de energía, 340 de población, 208 Departamento de Energía de Estados Unidos (USDOE), 938 Depósitos, de energía, 908 de sales fundidas, 915 salinos, 908 Derechos de emisión, 113 CO2, 296, 297 Desalinización, energía eólica a la, 666 Plan Nacional de, 189 Desalinizadoras, plantas de, 185 Desarrollo, eólico marino en el mundo, 663 sostenible, 112, 423 Descomposición bioquímica, 823

Índice analítico Desertec, 943 proyecto, 629 Desertización, repercusiones ambientales, 180 Despolimerización de las macromoléculas, 823 Desulfurización del carbón, 866 DHC (district heating and cooling), 499 Diagrama de Sankey, 234 Diatomeas, 835 Digestión, anaerobia, 116, 776 tecnologías para la, 807 de fangos de EDAR, 825 Dimetil éter (DME), 388, 785 DINAS (Directorio Nacional de Empresas para la Arquitectura Sostenible), 550 Dióxido, de carbono, 12, 276 almacenamiento geológico de, 124 de nitrógeno, 277 Directiva de biocombustible, 782 Directorio Nacional de Empresas para la Arquitectura sostenible (DINAS), 550 Diseño, arquitectónico sostenible, 425 bioclimático, 519, 520 de los edificios, 438 Disociación del agua, 732 Dispositivos híbridos, 632 Distribución, de energía eléctrica, 59 de la población española, 136 District heating and cooling (DHC), 499 District heating, 503, 793 DME (dimetil éter), 388, 786 Documentos básicos (DB), 94 Domótica, 505 aplicaciones de la, 506 sistemas, 506, 897 vivienda, 506

EADS (Agencia Europea de Seguridad Aeronáutica), 254 Ecopuntos, 155 Ecuación global de la fotosíntesis, 745 Edificación sostenible, 422 Edificios, diseño bioclimático de los, 436 envolvente térmica del, 449 forma de, 441 limitación de la demanda energética, 449 orientación de los, 439 paneles fotovoltaicos en los, 536 posición de, 441 protección térmica de los, 587 tratamiento de la piel del, 523

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EE RR, calendario progresivo de implantación, 725, 726 coste de la electricidad, 722 gestión de la oferta, 721, modelo, de la demanda, 720, de oferta, 720, de sostenibilidad, 722 ratios de ocupación de espacio, 721, EEA (Agencia Europea de Medio Ambiente), 383, 884 EETB, 281 Efecto, Arquímedes, 701 chimenea, 519 de encauzamiento, 659 fotovoltaico, 631 Peltier, 537 Seebeck, 537 Eficacia, fotosintética, 844 luminosa, 573 Eficiencia, de las células FV, 633 del transporte marítimo y fluvial, 267 energética, 132 libro verde para la, 235 fotosintética, 891 térmica, 309 EIA (Energy Information Administration), 4 Electricidad, aérea, transmisión, 63 a partir de biogás, 803 a partir de biomasa, 931, 949 a partir de energía eólica marina, 952, termosolar, 952 undimotriz, 951 consumo de, 8 y precios medios, 722 coste de generación y precio venta, 926 subterránea, transmisión, 63 transporte de, 965 Electrificación del transporte, 318 Electrodomésticos, en la vivienda, 569 en stand by, 578 etiquetado energético de los, 569 Electroimanes superconductores, 918 Electrolisis del agua, 336, 666, 919 Electrolizador, 919 Electromagnetismo, 601 radiación solar, 603 Electroquímica y pilas de combustible, 349 Elementos, constructivos, 427 radioactivos, desintegración de, 674

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Emisiones, anuales de un individuo, 432 de CO2, 12, 296 doméstico, 432 impuesto en las, 304 reducción de las, 125 de gases, de invernadero, 202 régimen comunitario de comercio, 124 de metano, 209 de nanopartículas, 223 per cápita, 11 de vehículos, directivas, 399 en 2030, 7 Empleados de cuello verde, 886 Emta, 281 EMTB, 281 en España, 46 Energía, a través de biogás, 933 abastecimiento, 50 ahorro de, 93 almacenada en rocas, 674 almacenamiento de la, 901, 907, 914 baja densidad de, 756 calidad de la, 906 celular, 859 centrales de producción, 57 cinética, 902 ciclo perfecto de la, 169 consumo de, 429 per cápita. 5 de la biomasa, 539 de las corrientes marinas, 707 de las mareas, 695, posibilidades de las, 696 de las olas, 698 del gradiente salino, 714 del oleaje, 707 demanda de, 905 de la Unión Europea, 36 densidad de, 340 depósitos de, 908 eléctrica, 903 consumo mundial de, 84 distribución de la, 56 generada, 43 tarifa, 86 transporte y distribución de la, 59 electromagnética, 903 eólica, 540, 653 electricidad a partir de, 952 en desalinización, 666 en el mundo, 666 marina, 660

terrestre, electricidad a partir de, 937 y ceros eléctricos, 671 existencias mínimas de, 53 final, 27, 98 consumo de, 422, 427 en España, 40 fotovoltaica, 644 geotérmica, 935 aplicación doméstica, 680 aprovechamiento, 679 gestión de la demanda, 886 magnética, 915 maremotérmica, 710 maremotriz, 695, ventajas y desventajas, 697 mecánica, 903 metabólica, 220 minieólica, 668 características, 540 minihidráulica, 685, 691 nuclear, 14 oceánica, 710, 714 oferta de, 905 potencial, 902 primarias, 27, 98 demanda de, 130 en España, 39 producción, 801 química, 903 renovables, costes económicos, 927 Libro Blanco de la, 144 mix de, 106 salina, 712 solar, 27 fotovoltaica, 630 pasiva, 516, 606 térmica, 608 térmica, 903 de las aguas marinas, 710 materiales para almacenamiento de, 566 oceánica (OTEC), 149 termosolar, 926, 941 electricidad a partir de, 952 torre de, 628 undimotriz, 698, 936 conversión de la, 702 electricidad a partir de, 951 y calor, 16 y trabajo, 16 Energy Information Administration (EIA), 4 Energy Payback Time (EPBT), 931 Enfermedades de origen genético, 856 Entalpía, 20 Entropía, 21

Índice analítico Eólica, energía, 653 isozonas de densidad de potencia, 657 EPBT (Energy Payback Time), 931 EPIA (Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica), 648, 884 EPR (European Pressurized Reactor), 930 ERTMS (European Rail Traffic Management System/ Sistema de Gestión del Tráfico Ferroviario), 257, 239 ESA (Sociedad Ecológica de América), 394 Escasez de agua, 199 España, energía, final en, 40 primaria en, 39 estructura energética, 39 potencias eléctricas instaladas en, 43 refinerías de petróleo, 67 Espectro solar, 631 Espejos, cilindroparabólicos, 620 multilaminares de aluminio, 627 Estanques agrícolas, 166 Esterificación, proceso de, 784 Estiércol de caballo, 777 Estomas, 196 Estrategia bioclimática, 608 Estructura energética España, 39 Etanol, 305 a partir de residuos, 390 límite máximo de, 788 producción de, 761 rendimientos de, 789 Etanol-diesel, mezcla de, 788 ETBE, 786 Etiquetado energético de los electrodomésticos, 569 Europa, transporte en, 235 European Pressurized Reactor (EPR), 930 European Rail Traffic Management System (ERTMS), 239 Eutrofización, 143 Evaporación diaria, 684 EWEA (Asociación Europea de Energía Eólica), 952 Exergía, 905 Existencias mínimas seguridad de hidrocarburos, 53 Extracción, de biogás, 212 por fluido supercrítico, 847

Fachadas, tratamiento de, 426 Factor, de potencia, 927 solar, 450

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FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación), 742, 776 Fermentaciones, aerobias, 114 anaeróbicas, 114, 213 entéricas, 203 metánicas, 803 oscuras, 849 Fibra, de vidrio, 464 mineral, 464 Film solar, 642 fotovoltaica de concentración, 643 Fischer-Tropsch, síntesis de, 385, 806, 814 Fisión, reacciones de, 146 Fitoplancton, 160 de los océanos, 835 Fitorremediación, 859 Fluido, caloportador, 617 geotérmico, 677 Forestales, incendios, 178 rendimientos de, 760 superficies, 764 FORM (fracción orgánica de los residuos municipales), 825 Forma de biogás, 801 Formaciones salinas, 170 Fotobiorreactores, 735, 745 Fotodisociación biológica del agua, 849 Fotofermentación, 849 Fotólisis, 114 Fotosíntesis, ecuación global de la, 745 Fotovoltaicos de capa fina, 641 Frenado regenerativo, 258 Freno eléctrico reostático, 259 Fresnel, tecnología, 614 Friabilidad biomasa, 755 Fusión nuclear, 930

Gallinaza fresca, 777 Gas(es), almacenamiento de, 908 de combustión, emisiones de CO2, 300 procedentes de vehículos, 241 de digestor, 372 valorización energética, 825 de efecto invernadero, 274 de pirólisis, 809 de síntesis, composición de, 810 de vertedero, 372, 801, 806, 933 hidrato de, 910 natural, 14

984 almacenamiento de, 66 comprimido (GNC), 327 infraestructuras, 64 licuado (GNL), 327 red de transporte, 65 reservas de, 7 vehicular (GNV), 325 precio del, 924 Gasificación de biomasa, 118, 810 forestal, 805 Gasificador dawn-draft, 813, 935 Gasohol, 788 Gasolina, aditivos oxigenados, 281 artificial, 814 Gasolinas, Norma Europea de las, 842 sin plomo, 287 verde, 790 Generación, de biogás, 857 de electricidad, 153 en España, coste medio, 955 de frío y calor, 497 de lixiviados, 212 de residuos y población, 206 distribuida, 94, 926 eléctrica, mix de, 726 Generadores, de baja potencia, 668 Gestión, de la demanda, de energía, 886 eléctrica, 78, 79, 964 de los RSU, 210 del agua, 184 energética sustentable, 167 Glicerina, 380 empleo de la, 840 gasificación, 841 Glicerol, decantación de, 840 Global Warning Potential (GWP), 274 Glucosa, degradación de, 802 GNC (gas natural comprimido), 327 GNL (gas natural licuado), 327 GNV (gas natural vehicular), 325 Gradiente, salino, 964 térmico,936 Granja eólica, 656 Grisú, 736 GT, 94 GWP (Global Warning Potential), 274

Energía, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad Hélices del tipo CLT, 269 Hibridación con la biomasa, 971 Hidrato de gas, 910 Hídricos, recursos, 186 Hidrocarburos, seguridad de, 53 Hidrógeno, 334 a baja presión, almacenamiento, 353 a baja temperatura, 341 a partir de energía, 732 almacenaje del, 335 almacenamiento de, 343 combustión del, 334 líquido, 340 obtención a partir de la biomasa, 337 producción de, 335, 730 mediante electrólisis, 733 transporte de, 340 Hidrólisis , 114 con ácidos, concentrados, 843 diluidos, 843 enzimática, 843 química, 844 reactor de, 801 térmica directa, 732, 775 Hidrometalurgia, 866 Horas pico, 907 Horas valle, 896 Hornos solares, 624 Hot Dry Rocks, (HDR), 936 Huecos de tensión, 671 Huella, agrícola, 218 ecológica, 112, 137 endosomática, 220 exosomática, la, 219 Hydrosol II, proyecto, 624

IATA, 251 IDAE (Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía) , 94, 885 Iluminación, 573, en la edificación, 575 Impacto(s), acústico, 656 ambiental, minimizar el, 434 ambientales, 153 de edificación, 431 por el agua y los residuos, 433 energético de la vivienda, 431 Impuesto en la emisiones de CO2, 304 Incendios forestales, 176, 178 Incineración, 121, 828 de la biomasa, 119

Índice analítico de residuos peligrosos, 931 residuos de, 211 Incremento, del PIB, 208 generación de residuos, 211 Índice, de Eficiencia Energética, 132 Doméstico de Eficiencia Energética, 132 Industrias agroalimentarias, 771 Inercia, del frenado, 913 momento de, 918 Infraestructura, de gas natural, 65 eléctrica, 56 ferroviaria, 257 Infrarrojo, absorción de, 821 Ingeniería genética, 391, 868 Instituto Nacional de Estadística (INE), 139 Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía (IDAE), 94, 885 Instituto Sindical Trabajo, Ambiente y Salud (ISTAS), 885 Instrucciones técnicas (IT), 585 Intensidad de consumo energético, 896 Interferencia(s), aerodinámica, 951 electromagnéticas, 150 International Termonuclear Experimental Reactor (ITER), 930 Interruptor molecular, 735 Intrusión marina, 224 Inventario forestal, 755 Invernaderos, cultivo en, 178 emisiones de gases de, 202 Inversiones térmicas, 244 Inyección de CO2 producción petróleo, 170 IPCC (Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático), 164 Irradiación directa normal, 601 Isla Corbán, proyectos, 544 Isotopos radioactivos, 930 Isozonas de densidad de potencia eólica, 657 ISTAS (Instituto Sindical Trabajo, Ambiente y Salud), 885 IT (Instrucciones técnicas), 585 ITER (International Termonuclear Experimental Reactor), 930

JAMA, 241

KAMA, 241 Lámparas, tipo de, 573

985

Lana de roca, 468 Lana de vidrio, 468 Lanas minerales, 468 LEC (Levelized Electricity Cost), 922 Lecho, descendente, 825 fluidizado, 827 combustión en, 145 legislación, 80 Levelized Electricity Cost (LEC), 922 Levitación magnética para cerogeneradores, 669 Ley, de Betz, 653 de Ordenación de la Edificación (LOE), 582 Libro blanco, de las energías renovables, 142 del transporte, 235 revisión del, 236 verde, para la eficiencia energética, 235 sobre el transporte urbano, 235 sobre la política marítima, 235 negro, 898 LÍDER, programa, 94, 448, 587 Lignito, 144 Límite máximo de etanol, 788 Líneas de alta tensión, 61 Lípidos, en microalgas, niveles de, 835 polares, 837 Liquefied Natural Gas carriers (LNG), 268 Lixiviación, aspectos microbiológicos, 864 Lixiviados, generación de, 212 LNG (Liquefied Natural Gas carriers), 268 LOE (Ley de Ordenación de la Edificación), 582 Luz concentrada, 643 Macroalgas, 744 Macromoléculas, despolimerización de las, 823 Mantenimiento de hidrógeno a baja temperatura, 342 Mapa, de isozonas de radiación, 629 eólico, español, 657 marino, 663 Máquina, de absorción, 612 de Carnot, 22 humana, 217 Marco Polo, programa, 237 Mareas, energía de las, 695 vivas, 695 Materia particulada, 273

986


Material(es), aislantes , 460 artificiales inorgánicos, 463 clasificación, 463 naturales, 463 clasificación de, 456 compuestos de, 455 compuestos cerámicos, carga energética, 549 de construcción, acumulación de calor de, 563 carga energética, 549 ciclo de vida, 555 impacto de los, 431 l ímites del reciclaje, 547 metálicos, reciclaje de, 456 orgánico, 456 para almacenamiento de energía térmica, 566 particulado respirable, 280 semiconductor, 631 tipo de, 454 Matriz energética sostenible, 931 Máximo Termal Paleoceno-Ecoceno (PETM), 158 Mecanismo de oxidación reducción, 347 Membrana, citoplásmica, 837 de ósmosis inversa, 187 hidrofóbica, 191 semipermeable, 714 tilacoidal, 837 Mercado fotovoltaico, 648 Metabolismo, biológico, 217 exosomático, 219, 220 microbiano, 859 social, 219 Metabolitos celulares, 850 Metales, 456 Metanización, 116 húmeda, 822 seca, 822 Metano, 277 contenido de, 807 emisión de,209 plantas emisoras de, 167 Metanol, inconvenientes del, 384 pilas de, 306, 787 combustible de, 354 METRO, 257 Mico diesel, 791 Microalgas, 744, 833 aceite a partir de, 853 con alto contenido en aceites, 833 cultivo de, 834, 848 fotoautótrofas, 850 niveles de lípidos en, 835

Microcapilaridad, 191 Microesferas de vidrio, 353 Microgeneración, 498, 499 Microorganismos, fotosintéticos, 833 heterótrofos, 867 Microrred, 966 Minieólica, características, 540 Minigeneración eléctrica, 908 Mix de generación, 895, 923, 961 alternativas, 972 de energías renovables, 106, 889 Modelo energético, 889 del futuro, 969 energético, sostenibilidad del, 886 Modos de transporte, 234, 241 Moléculas de clorofila, 743 Momento de inercia, 918 Monocristalinos, 632 Monotubos de carbono, 344 Motor, con GNC, rendimiento, 331 diesel, rendimiento, 330 térmico, 309 Motores, bi-fuel, 326 de ciclo Otto, 806 Motorización, nivel de, 247 MTBE, 786 Multicristalinos, 632 Muro Trombe, 558 Nanoestructuras, 730 Nanopartículas de silicio, 645 Nanotubos de carbono, 192 Nivel, de motorización, 247 de ruido, 255 Niveles de lípidos en microalgas, 835 Noción de potencia pico, 636 Norma Europea de Gasolinas, 842 OACI (Organización de Aviación Civil Internacional), 242, 251 Observatorio de la Sostenibilidad de España (OSE), 112 OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico), 130 Océanos, carbono en los, 161 diferencia de temperaturas de los, 710 el rol del, 165 temperatura superficial de los, 695 Oferta, de energía, 905 energética, 38

Índice analítico Olas, altura de las, 705 capilares, 699 energía de las, 698, 699 , 705 oscilación vertical de las, 703 Oleaje, potencial mundial de la energía del, 707 radares de, 699 OMG (organismos modificados genéticamente), 390 OMS (Organización Mundial de la Salud), 287 Ondas electromagnéticas, 601 orgánico, 25 Organismos, fotosintéticos, 844 fotosintetizadores, 748 modificados genéticamente (OMG), 180, 390 unicelulares, 833 Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), 242 Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO), 742, 776 Organización Mundial de la Salud (OMS), 287 Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE), 130 Orientación, de los edificios, 439 del campo solar, 943 OSE (Observatorio de la Sostenibilidad de España), 112 Ósmosis, directa, 713 inversa, membranas de, 187 OTEC (energía térmica oceánica), 149 Oxidación, a alta temperatura, 820 biológica de sulfuros, 865 fotosintética, 850 Oxígeno, demanda biológica de, 808 demanda química de, 808 Ozono, 278

PAC (Reforma de la Política Agrícola Común), 178 Padrón municipal, 140 PAE4+, 240 PAND (Programa de Acción Nacional contra la Desertización), 181 Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC), 164 Paneles fotovoltaicos, 536 Pantallas acústicas, 292 Paquete de Energía y Cambio Climático de 2020, 239 Parábolas concentradoras, sistemas de, 622 Parques, de turismos, posible evolución, 410

987

de vehículos en España, 246 energéticos marinos, 966 eólico, 656 marino, 670 offshore, 660 Partículas, efectos dañinos, 274 tipos de, 274 Patronal eléctrica UNESA, 926 PCI (Poder Calorífico Inferior) , 98, 754 PCS (Poder Calorífico Superior), 754 Peak-oil, 33, 307 Peltier, efecto, 537 PEM (proton exchange membrane), 346 PEMFC (pilas de combustible de membrana de polielectrolito), 788 PER (Plan de Energías Renovables 2005/2010), 888 Pérdidas y ahorro energético, 478 Permafros, 680 PETM (Máximo Termal Paleoceno-Ecoceno), 158 Petróleo, 14 consumo de, 238 en el transporte, 233 precio del, 34 recursos potenciales de, 31 refinerías en España de, 67 reservas de, 31 vertidos de, 279 Petroleros, 263 PFER (Plan de Fomento de las Energías Renovables), 747 PIB (producto interior bruto), 4 Pico de demanda eléctrica, 75 Pilas, alcalinas, 919 de combustible, 306, 313, 346, 730 baterías tradicionales, 358 beneficios en la ingeniería, 357 beneficios medioambientales, 356 comportamiento, 350, 351 consumo de las, 352 con alimentación con etanol, 314 de membrana de polielectrolito (PEMFC), 788 de metanol , 306, 353, 787 eficiencia de las, 351 en el transporte, 358 funcionamiento, 349 futuro, 359 seguridad energética, 358 sistema real, 353 y electroquímica, 349 ventajas, 356 Pirólisis, 114, 118 aceites de, 874 de fangos, 791

988


flash, 810 gases de, 809 Piscinas climatizadas, 611 Plan de acción sobre eficacia energética, (2000-2006), 238 (2007-2012), 239 Plan de Acción y Eficiencia Energética de la Comisión Europea, 430 Plan de Energías Renovables (PER) 2005-2010, 240, 888 Plan de Estrategia Española de Eficiencia Energética 2004-2012, 240 Plan de Fomento de las Energías Renovables (PFER), 747 Plan Forestal Español, 765 Plan Movele, 318 Plan Nacional de Desalinización, 189 Plan Nacional de Recuperación de Suelos Contaminados (PNSC), 181 Plan Solar Mediterráneo (PSM), 943 Planteamieto urbanístico, 438 Planta SOLAR TRES, 626 Plantas, de energía salina, 714 desalinizadoras, 185 emisoras de metano, 167 Plataforma Solar de Almería, 623 PNSC (Plan Nacional de Recuperación de Suelos Contaminados), 181 PNUMA (Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente), 163 Población española, 136 Poder Calorífico Inferior (PCI), 98, 754 Poder Calorífico Superior (PCS), 754 Poderes caloríficos de diversos combustibles, 755 Policristalinos, 632 de lámina fina, 642 Poliestireno, expandido (EPS), 465 extruido, aislamiento, 472 Política Agrícola Común (PAC), 758 Política marítima, libro verde sobre la, 235 Porcino, sector, 779 Portador energético, 917 Potencia(s), del viento, 654 eléctrica instalada, 58 en España, 43 eólica instalada, 596 fotovoltaica instalada, 636 hidráulica, 687 instalada, 77 pico, noción de, 636 Precio, del agua, 184 del gas, 924 del petróleo, 34

del pool, 933 energético, 882 Precipitación anual, 684 Presas, de bóveda, 686 de gravedad, 686 Presión osmótica, 713 Pressurized Water Reactor (PWR), 146 Primer Principio de la Termodinámica, 19, 904 Procesos, de conversión, eficacia, 829 de esterificación, 784 de gasificación, 812 Producto interior bruto (PIB), 4 Productos, agrícolas, 743 de biomasa, 749 petrolíferos, almacenamiento, 69 petrolíferos, transporte, 69 Programas, CAFÉ, 280 CALENER, 448 de Acción Nacional contra de la Desertización (PAND), 181 de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), 163 de Promoción de los Cultivos Energéticos, 177 LÍDER, 448, 587 Marco Polo, 237 SESAR, 239 Prospección geológica, 868 Protección térmica de los edificios, 587 Protocolo de Kyoto, 888 Proton Exchange Membrane (PEM), 346 provisión de cobertura de la, 81 Proyecto, Casa Barcelona, 554 Castor, 910 de aviones ecológicos, 255 gemográfico, 139 GE-Net-Zero Project, 578 Hydrosol II, 624 Isla Corbán, 544 PSE-ARFRISOL, 543 R4HOUSE, 550 Silence, 293 PSE-ARFRISOL, proyectos, 543 PSM (Plan Solar Mediterráneo), 943 Puente aéreo, 252 Puertos, 263 Punto de rocío, 815 Purines, composición de los, 779 PWR (Pressurized Water Reactor), 146

Índice analítico R4HOUSE, proyecto, 550 Radar, señales del, 663 Radiación(es), 458, 601 global, 601 ionizantes, 143 mapa de isozonas de, 629 medida con piranómetro, 604 que llega a la tierra, directa, 601, difusa, 601, reflejada, 601 solar de España, 605 solar, captación de la, 533 Radiólisis, 114 Rankine, ciclo de, 23 Rayos de sol concentrados, 617 Reacciones, anaerobias, 801 de fisión, 146 Reactores, aerobios, 116 de biogasificación, 801 de hidrólisis, 801 de tercera generación, 929 ligeros, 929, 931 Receptor central, 616 Recogida selectiva, 210, 776 Recursos, geotérmicos, 674 hidráulicos, estimación de, 684 hídricos, 186 potenciales de petróleo, 31 renovables, 15 Red de transporte gas natural, 65 Red Eléctrica Española (REE), 59 Reducción de emisiones de CO2, 125 REE (Red Eléctrica Española), 59 REE (Rendimiento Eléctrico Equivalente), 502 Reforma de la Política Agrícola Común (PAC), 178 Refrigeración, por compresión mecánica, 612 solar, 536, 613 Régimen, especial de potencia instalada, 887 pluviométrico, 685 Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), 423, 582 Remediación de suelos, 857 Rendimiento, aerodinámico, 654 de ciclo Otto, 329 eléctrico equivalente (REE), 502 energético, 905 motor, con GNC, 331

989

diesel, 330 vehículo eléctrico, 330 Reservas, de carbón, 7 de gas natural, 7 de petróleo, 31 de uranio, 930 Residuos agrícolas, 772, 748 utilizables, 772 biodegradables, 748 de industria, agrícolas, 748 forestales, 748 de poda, 772 forestales, 748 incineración, 211 incremento de la generación, 211 industria del aceite, 795 procedentes, de ganado, 776 de los automóviles usados (VFU), 285 sólidos urbanos, 202, 775 vertederos de, 212 Ríos navegables, 263 RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios), 423, 582 Rocas, calientes secas, 674 energía almacenada, 674 porosas, 908 Rocío, punto de, 815 Ródano, trasvases del, 194 RPT (ruptura de puente térmico), 474 RSU, tasa de generación de, 775 Ruido, aerodinámico, 151 de los aviones, 293 del tráfico, 302 nivel de, 255 planes de gestión, 400 Ruptura de puente térmico (RPT), 474

Sales, fundidas, 621 depósito de, 915 minerales, almacenar energía en, 615 Salinas, formaciones, 170 Salinización de los acuíferos, 178 Salto, de agua, 687 por derivación de las aguas, 688 Sankey, diagrama de, 234 SCI (severidad climática de invierno), 446

990


SCV (severidad climática de verano), 446 Sector ganadero, 776 Sector porcino español, 779 Seebeck, efecto, 537 Seguidor solar, 644 Seguimiento acimutal, 942 Segundo Principio de la Termodinámica, 20, 904 Semiconductores, inorgánicos, 640 material, 631 orgánicos, 640 uniones n-p en, 631 Señales del radar, 663 Serpiente pelamis, 706 SESAR, programa, 239 Severidad climática, de invierno (SCI), 446 de verano (SCV), 446 Short Sea Shipping (SSS), 266 Silent Aircraft Initiative, 294 Silicato cálcico, 464 Silicio, amorfo, 633 cristalino, 634 nanopartículas de, 645 SIMEL (Sistema de Información de Medidas Eléctricas), 60 Síntesis de Fischer-Tropsch, 385, 806, 814 Sistemas, activos, 515 captores, 519 de alta concentración, 617 de gestión del tráfico ferroviario (ERTMS), 257 de inercia, 519 de Información de Medidas Eléctricas (SIMEL), 60 de torre, 616 domóticos, 897 ERTMS (European Rail Traffic Management System), 239 ópticos,643 parabólicos, 617 pasivos, 515 SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage), 917 Sobrepastoreo, 176, 178 Sociedad Ecológica de América (ESA), 394 Sonda Lambda, 289 Sostenibilidad, 438 del modelo energético, 886 energética, 123 noción de, 424 y atmósfera, 222 SSS (Short Sea Shipping), 266 Subsidios agrícolas, 743 Suelos, 173 remediación de, 857 Sulfuros, oxidación biológica de, 865 Sumideros orgánicos de CO2, 168

Sunseeker II, avión, 256 Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES), 917 Supercrítico, 162 Superconductores, 914 Superficie(s), forestal de España, 766 forestales, 764 interna del carbón, 736 texturizacion de la, 631 Superpolluters, 223

Tala sostenible, 766 Tarifa, de energía eléctrica, 86 eléctrica, 927 regulada, 897, 933 Tasa de generación de RSU, 775 Tecnología , Fresnel, 614 solar pasiva, 606 undimotriz, 937 Teluro de cadmio, 635 Temperatura, media en la tierra, 604 superficial de los océanos, 695 Tendencias en el transporte, 237 Teorema de Carnot, 905 TERM (Transport and Environment Reporting Mechanism), 400 Termodinámica, Primer Principio de la, 19, 904 Segundo Principio de la, 20, 904 Termografía, la, 465 Texturización de la superficie, 631 Tierra, temperatura media de la, 674 Torres abatibles, 669 Torre(s), de energía, 628 de viento, 519 evaporativas, 519 sistemas de, 616 Torta de alga, 851 Tráfico, contaminación del, 287 ruido por, 302 urbano, contaminación atmosférica, 244 Transgénicos, 179 para absorber CO2, 392 Transmisión de calor, 458 Transmitancia, 475 térmica, 451 Transporte, aéreo, 233, 400, 413 consumo de energía 2040, 402 de corriente continua a alta tensión (CCAT), 106, 720

Índice analítico de electricidad, 965 de energía eléctrica, 59 de hidrógeno, 340 de mercancías por carretera, 232 de pasajeros, 232 de viajeros, 232 interurbanos, 248 urbanos, 248 demanda de energía para, 313 eléctrico, 889 electrificación del, 318 emisiones, 241 en España, 234 en Europa, 235 etiqueta ecológica, 401 ferroviario, 400, 413 barcazas de, 264 intermodal, 241,263 Libro Blanco del, 235 marítimo, 413 de mercancías, 232 emisiones, 264 en España, 266 y fluvial, 267, 400 metro, 413 modos de, 234, 241 petróleo en el, 233 por ferrocarril, 236, 256 por vías navegables interiores, 237 previsión en España para 2004, 401 productos petrolíferos, 69 público, 241 urbano, libro verde sobre el, 235 ruido, 400 Tranvía, 257 del Ródano, 194 trasvases de, 192 Tren, aerodinámica del, 259 de alta velocidad, consumo energético, 261 Triglicéridos, 837 Turbina(s), costes de las, 938 de gas de síntesis, 949 del tipo Wells, 705 eólicas, 653 flotante, 665 marinas, 665 flotante, 661 offshore, fijación de las, 665 para corrientes marinas, 709 vertical, 668

UIC (Unión Internacional de Ferrocarriles), 259 ULCC (Ultra Large Crude Carrier), 263

991

UNESA (Asociación Española de la Industria Eléctrica), 58, 63 UNESA, patronal eléctrica, 926 Unidad de vidrio aislante (UVA), 475 Unión Europea, Unión Internacional de Ferrocarriles (UIC), 259 Uranio, mineral, 147 reservas de, 930 Urbanización, 442 USDOE (Departamento de Energía de Estados Unidos), 936 UVA (unidad de vidrio aislante), 475

Vacunas, nuevas, 856 Vapor, de agua, 276 seco, central de, 677 Vegetación urbana, 442 Vehicle-to-grid, 321 con motor térmico, 316 eléctrico, 315, 316 clave del futuro, 315 rendimiento, 330 híbridos, 967 clasificación, 322 enchufable, 316 funcionamiento, 322 no enchufable, 316 Velocidad media del viento, 653 Ventanas, aislamiento en las, 474, 478 Ventilación, cruzada, 519 mecánica, 488 formas de, 489 mixta, 490 natural, 487 Vertederos, de petróleo, 279 de residuos, 212 gas de, 806 VFU (Residuos procedentes de los automóviles usados), 285 tratamiento de los, 285 Vías navegables interiores, transporte por, 237 Vidrios, clasificación de los, 475 ensamblados en UVA, 474 especiales, 480 activos, 481 pasivos, 480 microesferas de, 353 Viento(s), alisios, 423 centrales hidráulicas, 667 en mar abierto, 661

992


fuerza del, 659 potencia del, 654 relación de potencia y velocidad, 656 velocidad media del, 653 VIP, 94 Vivienda(s), ahorro de energía en la, 575 con aislamiento optimizado, 588 eficiente, diseño de, 430 impacto energético de la, 431 sostenible, 578 Volante de inercia, 918 Wells, turbinas tipo, 705

Well-to-wheel, 305 WEO (World Energy Outlook), 41 World Energy Outlook (WEO), 41

Yacimiento geotérmico, 677

Zeolitic Imidazolate Frameworks (ZIF), 159 ZIF (Zeolitic Imidazolate Frameworks), 159 Zonas, áridas, 174 climáticas, 446

La actual crisis económica forzará a plantear una reflexión sobre la matriz energética actual, su sostenibilidad y la necesidad de cambio de modelo para no tener que alterar en demasía el nivel de confort, variando muy poco los hábitos de vida. Esta obra aborda dicho problema en tres bloques claramente diferenciados, pero unidos por un mismo hilo conductor: la energía. En el primer bloque se analizan las causas del consumo energético. No se pone en cuestión si los actuales consumos de los españoles son necesarios o no, o si resultan elevados, pero sí que pueden y deben optimizarse. Este bloque se compone de: El modelo energético español. Aspectos ambientales y demográficos relacionados con la energía. Energía y transporte. La vivienda y el confort. El segundo bloque intenta aportar soluciones a corto/medio plazo, de manera que en nuestra sociedad sea capaz de pasar de la incertidumbre a una sociedad que emplea la energía que precisa de manera limpia y sostenible. El bloque se compone de: Las energías renovables, y Biomasa y Bioenergía. En el último bloque se postulan y justifican las soluciones: Conclusiones. Energías renovables versus convencionales. Para establecer el nuevo modelo, se parte de un consumo eléctrico, para 2040, de 424,9 TWh/año, cifra que se justifica por el aumento demográfico, el incremento específico energético y un coeficiente reductor por eficiencia. El nuevo modelo energético postula que se puede llegar al 73,2% de generación a partir de fuentes renovables a un costo de generación muy inferior al actual. Al principio de cada capítulo aparecen unas conclusiones o puntos más destacados, de manera que se pueda llevar a cabo una lectura rápida del libro tan solo con los resúmenes iniciales. Xavier Elías Castells es ingeniero industrial por la ETSII de Barcelona (UPC). Director de la BOLSA DE SUBPRODUCTOS de Cataluña y Asesor de diversos Gobiernos Sudamericanos en temas ambientales. En su vida profesional ha dirigido Ingenierías donde se han proyectado y construido numerosos secaderos y hornos, tanto de proceso como de incineración y vitrificación de residuos. Es profesor de cursos de doctorado y postgrado sobre temáticas de eficiencia y ahorro de energía, de reciclado y tratamiento de residuos y profesor invitado en numerosas universidades españolas y sudamericanas. Ha publicado El reciclaje de residuos industriales, (Díaz de Santos, 2009), Tratamiento y valorización energética de residuos, (Díaz de Santos, 2005) y es el Director de los masters a distancia: “Ingeniería Ambiental” y “Ciencia y Tecnología Cerámica”, ambos de la Fundación Universitaria Iberoamericana. Es Premio Nacional Augusto González de Linares de Medio Ambiente. Santiago Bordas Alsina es doctor ingeniero industrial por la ETSII de Barcelona, número cuatro de su promoción y premio extraordinario de doctorado. Su actividad profesional se ha extendido a la administración pública, a la empresa privada y como autónomo. Entre sus cargos hay que mencionar los de profesor por concurso oposición de las universidades de Barcelona y Autónoma de Barcelona, en Termodinámica y Mecánica; y de director en varias empresas nacionales e internacionales, como el grupo Uralita y la multinacional Ideal Standar. Su trabajo abarca aspectos técnicos, científicos y de gestión en ciencia de materiales, construcción, y energía y medio ambiente. Ha publicado medio centenar de artículos en revistas nacionales e internacionales y ha sido ponente en más de cincuenta congresos nacionales e internacionales y en diversos cursos de master y postgrado.

[FIXED]EnergÃ­a, agua, medioambiente, territorialidad y sostenibilidad

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