1 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA - Capítulo Argentino del Club de Roma

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Ing. Jorge A. Poppi
1. Qué es la Energía Solar
Los que habitamos este planeta derivamos TODA la energía de tres fuentes:
•
•
•
la geotérmica, o radioactividad, porque esta energía se debe mayormente al
calor originado por los isótopos radioactivos que hay en la tierra y el resabio
de calor de cuando se formó, especialmente por los múltiples choques de los
meteoritos que formaron nuestro planeta.
la gravitatoria, que produce las mareas.
PERO SIN DISCUSIÓN, la principal energía es, fue y será el sol.
o captada durante millones de años por algas, plancton y plantas a
través de la fotosíntesis, y acumulada en depósitos de petróleo, carbón
y gas.
o que al calentar hoy la atmósfera, produce el viento y al evaporar el
agua provoca las lluvias que alimentan las centrales hidroeléctricas.
o que al calentar la superficie de los colectores solares, produce la
energía que en forma de calor calienta el agua.
o o que al incidir en celdas fotovoltaicas, produce corriente eléctrica.
La energía del Sol es de origen nuclear. En el interior del Sol se producen reacciones
de fusión nuclear, parecido al proceso de la explosión de en una bomba de
hidrógeno: se unen núcleos de átomos ligeros, como el hidrógeno y el helio, para
formar átomos más pesados. En este proceso se liberan enormes cantidades de
energía. Es como si explotaran 100.000.000.000.000 bombas atómicas POR
SEGUNDO.
La energía llega a la Tierra por la radiación solar. En tan solo 1 segundo llega a
nuestro planeta una potencia que equivale a miles de veces la potencia instalada hoy
por la humanidad, con una cantidad de energía igual a 8.000 veces el consumo total
de energía, y que representa 10 veces el total de las reservas existentes hoy de
carbón, gas y petróleo.
2. Energía solar térmica
Primero debemos aclarar una confusión muy común entre la gente, y es que el
proceso de calentar agua no es energía como sí lo sería la electricidad; si bien el
concepto de “calor” no es energía para la física, “calentar agua” sí lo es, es decir, la
transferencia de calor es efectivamente un tipo de energía, energía termodinámica.
De hecho, lo que hoy se usa como unidades de potencia eléctrica, el Watt, o de
energía, el kWh, es en honor a James Watt, quien estudió la energía transmitida a
través del calor en una máquina a vapor (el la llamó “caballo de vapor”, pues la
comparó con el trabajo que podía hacer un caballo).
La energía de la luz del sol se capta a través de colectores que la convierten en
energía calorífica para calentar agua o a través de paredes especiales que calientan
el aire (pared Trombe). La luz interactúa con la materia de forma diferente,
reflejándose nuevamente o absorbiéndose según sea su color o longitud de onda
1
(ver gráfico). (Nota: En este artículo no trataremos las grandes plantas solares
térmicas que generan energía eléctrica)
Espectro solar
1. Capa absorsora
Podemos decir, en general, que la potencia lumínica diaria promedio que brinda el
sol está entre 500 a 1500 Watts por metro cuadrado. La mayor parte de la energía
está en el espectro visible, es por eso que la superficie absorsora de los colectores es
negra, porque no refleja ningún color (el blanco refleja todos los colores). Por eso,
las superficies negras se calientan más.
2. Orientación
Por el fenómeno de reflexión y absorción de la luz sobre una superficie, la máxima
absorsión se produce cuando incide normalmente a esa superficie. Pero el sol no está
estático en el cielo. Durante el día se mueve de Este a Oeste (se dice que forma un
ángulo azimutal con respecto al Norte), y las sombras se alargan o se acortan según
la altura que tenga el sol sobre el horizonte (a este ángulo se los llama cenital).
También la altura máxima del sol al mediodía cambia con las estaciones, siendo
máxima en el solsticio de verano y mínima en el de invierno. Por lo tanto, para
maximizar la captación, el colector en el hemisferio Sur debe instalarse mirando al
Norte, y con una inclinación que depende de la latitud geográfica de donde se
instala. Para optimizar la captación a lo largo del año, se orientan con una inclinación
que coincide con la latitud del lugar. Si se quiere optimizar la captación en el
invierno, que generalmente es cuando más se necesita, se suman 10° a 15° a la
latitud (por ejemplo, para el centro de nuestro país, 32°+15°=47°).
Una vez caliente, la superficie debe transferir ese calor al agua. De aquí en adelante,
vamos a dividir a los colectores solares para agua en dos tipos: los planos y los de
tubos de vacío.
i. Colectores planos
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El calor absorbido debe ser transmitido lo más eficientemente posible al agua. Los
colectores solares planos cuentan con tubos pequeños soldados o impresos en la
superficie negra absorsora por donde pasa el agua, tomando el calor de la capa
absorsora. Para que la transmisión de calor se transmita mayormente al agua, y no
al ambiente, se puede aislar el colector para impedir la fuga de calor por convección
o conducción. Para esto, generalmente se ubica un material aislante por debajo del
colector y una plancha de vidrio por arriba, lo que al reflejar la radiación infrarroja
evita la pérdida de calor por emisión, algo conocido como ”efecto invernadero”.
Colector plano vidriado típico
ii. Colectores de tubos de vacío
Los colectores con tubos de vacío tienen importantes diferencias con respecto a los
colectores convencionales:
o la superficie absorsora está aplicada a un cilindro, por lo cual sigue pasivamente
al sol; siempre el colector está perpendicular al ángulo azimutal.
o la aislación se logra con tubos con vacío, como los termos convencionales. Por lo
tanto, la pérdida de calor es extremadamente baja independientemente de la
temperatura externa, aún cuando esta llegue a -50°C.
o en colectores con “varillas de calor”, no hay circulación de agua por los tubos y la
transferencia se hace efectiva incluso en condiciones adversas, especialmente en
invierno.
colector tipo tubo de vacío
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3. Instalaciones para agua caliente solar
Una vez instalado el colector, el agua que se calienta durante el día debe ser
acumulada para abastecer las necesidades las 24 horas. Para ello debe acumularse
en un tanque debidamente aislado térmicamente. Una excepción es la climatización
de piscinas, donde la acumulación se hace directamente en la masa de agua de la
piscina, ya que los cambios de temperatura son pequeños dada la gran masa
inercial.
Existen principalmente dos tipos de sistemas: los de circuito abierto y los de circuito
cerrado.
i.
ii.
circuito abierto. En estos sistemas, se usa la misma agua que pasa por el
colector. Estos sistemas no son convenientes en climas donde puede
haber heladas, o cuando se quiera asegurar una larga vida útil del
colector.
circuito cerrado. En éstos, circula siempre el mismo fluído por el colector,
y se usa un intercambiador de calor para llevar la energía al agua. Este
sistema permite un control anticongelamiento, y evita el problema de
corrosión y contaminación sanitaria.
Sistema Solar de Circuito Cerrado: 1. Colector solar 2. Termotanque de
almacenamiento 3. Calefón de apoyo a gas o eléctrico 4. Panel de control
4. Usos de colectores solares
Los colectores solares pueden reducir entre un 35 % y un 70% del consumo de
energía convencional para la provisión de agua caliente para consumo doméstico,
comercial para hoteles, colegios o fábricas, en calefacción de hogares, climatización
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de piscinas. En el campo tiene su aplicación en tambos, lavaderos, invernaderos,
secaderos agrícolas, plantas de purificación o desalinización de aguas.
En el mundo, la energía solar térmica representa el 56% del total de la potencia de
las energías renovables (eólica, geotérmica, fotovoltaica) instaladas en 49 países, y
esto incluye países desarrollados y en vías de desarrollo. En nuestro país, ya que
entre el 30% del gas consumido en la Argentina se utiliza en el sector residencial, y
de éste un 70% es para calentar agua o para calefacción, los colectores podrían
disminuir hasta un 20% del CONSUMO TOTAL DE GAS EN ARGENTINA.
Fuente: International Energy Agency, UNDP’s World Energy Assessment:
Overview 2010 Update
Energías Renovables: Potencia Instalada y Energía Producida por Año
Fuentes: EPIA, GEWC, EWEA, EGEC, REN21 and IEA SHC 2008
200
190
180
Potencia Total Instalada [GW] 2007
160
147
Energía Producida [TWh] 2007
140
120
100
89
94
80
58
60
40
20
10
9.4
10
0.6
1.5
0.4
0.6
0
Solar Térmica por
Colectores
Eólica
Geotérmica
Fotovoltaica
Solar Térmica
Centralizada
Mareomotriz
Fuente: International Energy Agency, UNDP’s World Energy Assessment:
Overview 2010 Update
La energía solar térmica es la más probada y la más antigua de las energías
renovables. Los hitos más importantes en su evolución son:
o
o
o
o
1760. El suizo Horace de Saussure describe científicamente el efecto solar
térmico, a veces llamado efecto invernadero.
1880. Clarence Kemp investiga colectores solares para agua caliente, y en
1891 comercializa su primer colector, el Climax, en Maryland, EEUU. Este
colector aprovecha más del 40% de la energía solar.
1910. Más de la tercera parte de los hogares en lugares como Pasadena,
California, se alimentan con energía solar térmica.
1988. Se patenta la tecnología de colectores solares con tubos de vacío y
extiende el uso de la energía solar térmica a todos los climas.
Desde el punto de vista ecológico, está considerada como una de las que más
contribuyen a neutralizar el cambio climático. La huella de carbono de un colector,
factor fundamental a tener en cuenta desde el punto de vista ecológico, es la menor
de todos los sistemas alternativas. Un colector estándar puede compensar la
contaminación que produjo su fabricación en un lapso de 18 meses, por lo que hay
un ahorro neto de GEI (gases de efecto invernadero) de más de 30 años.
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Diseño totalmente modular y adaptable a cada necesidad Crea más fuentes de
trabajo local para especializaciones básicas.
Relación costo-eficiencia
Combinando tecnologías como superficies de absorción selectiva y aislación térmica,
actualmente los colectores solares térmicos logran hasta un 85% de eficiencia. Es
interesante comparar esta eficiencia con el máximo de 14% al que llegan los
sistemas fotovoltaicos comerciales. Hoy, el costo promedio por kWp de un colector
solar es de US$ 0,80, contra US$ 8 dólares del fotovoltaico.
Para comprender la importancia del calor como energía, hay que tener en cuenta que
el agua se calienta con gas o con electricidad. Y que la energía utilizada para este
propósito, tanto residencial como industrialmente, dista mucho de ser despreciable.
Hoy se calcula que el 20% de la provisión de gas se usa solamente para agua
caliente y calefacción. El Departamento de Energía de los Estados Unidos ubica al
agua caliente como el segundo consumo energético domiciliario.
Impacto ambiental y social
Al instalar un colector solar para calentar el agua, una familia tipo ahorra en
promedio la emisión de 1400 kg CO2 por año. Sería el equivalente a plantar 500
árboles. Es decir, cuando se piensa en que una ciudad para combatir el cambio
climático planta árboles para favorecer la absorción de CO2, un solo colector solar en
el techo de una casa sería casi equivalente a plantar todo un barrio.
Como hemos aclarado repetidamente en este artículo, la energía solar térmica es
fundamentalmente energía “distribuida”. Hay instalaciones individuales hechas por
gente sin acceso a la red de gas, o comprometidas en la lucha por el cambio
climático. Pero no hay “grandes proyectos” en desarrollo en el país. Lo que sí hay es
iniciativas municipales, como la de Rosario, que fomentan u regulan un porcentaje
obligatorio de agua caliente sanitaria solar para edificios públicos en construcción.
Contrariamente a la Argentina, más de 100 países cuentan con funcionarios
gubernamentales abocados a estudiar la mejor manera de incentivar la instalación
de colectores solares, tales como Brasil, Sudáfrica, México (para no citar quienes
obviamente lo hacen como EEUU, Canadá, Alemania, etc). Uruguay ha entrado
últimamente en este listado. Lamentablemente, al no producir electricidad, la
legislación argentina ni siquiera considera que este tipo de energía sea renovable.
Desde el punto de su potencialidad para generar nuevos empleos, según un estudio
de la SHC, la instalación de los colectores solares ha creado aproximadamente
200.000 puestos de trabajo en los 49 países que intervienen en este estudio. Pero
además, contrariamente a la energía eólica, o a la fotovoltaica, la instalación de un
colector solar no requiere de grandes proyectos, ni de profesionales acreditados,
ingenieros o proyectistas. Estos trabajos se centran especialmente en gente con
especializaciones básicas (como maestros mayores de obras, plomeros, electricistas,
etc.). Por lo tanto, la energía solar térmica es la que ha creado más puestos de
trabajo local por MW instalado que cualquier otra energía renovable.
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Por último, hay que remarcar que una zona del NOA es el área con más insolación
del mundo.
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