Antonio Rodríguez Silva FÍSICA I-PRÁCTICA Ejercicio 3 El Código Técnico de la Edificación (C.T.E.) obliga a instalar placas solares en edificios de nueva construcción y ampliaciones o reformas, aplicándose en dos categorías: - Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria. Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica. Se exige "Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria" para edificios que tengan demanda de agua caliente sanitaria y/ o climatización de piscina cubierta, según la Sección HE 4 del Documento Básico HE del C.T.E. Por su interés reproducimos la sección del C.T.E. indicada; el subrayado es nuestro: Sección HE 4 Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria 1 Generalidades 1.1 Ámbito de aplicación 1. Esta Sección es aplicable a los edificios de nueva construcción y rehabilitación de edificios existentes de cualquier uso en los que exista una demanda de agua caliente sanitaria y/o climatización de piscina cubierta. 2. La contribución solar mínima determinada en aplicación de la exigencia básica que se desarrolla en esta Sección, podrá disminuirse justificadamente en los siguientes casos: a) cuando se cubra ese aporte energético de agua caliente sanitaria mediante el aprovechamiento de energías renovables, procesos de cogeneración o fuentes de energía residuales procedentes de la instalación de recuperadores de calor ajenos a la propia generación de calor del edificio; b) cuando el cumplimiento de este nivel de producción suponga sobrepasar los criterios de cálculo que marca la legislación de carácter básico aplicable; c) cuando el emplazamiento del edificio no cuente con suficiente acceso al sol por barreras externas al mismo; d) en rehabilitación de edificios, cuando existan limitaciones no subsanables derivadas de la configuración previa del edificio existente o de la normativa urbanística aplicable; e) en edificios de nueva planta, cuando existan limitaciones no subsanables derivadas de la normativa urbanística aplicable, que imposibiliten de forma evidente la disposición de la superficie de captación necesaria; f) cuando así lo determine el órgano competente que deba dictaminar en materia de protección históricoartística. 3. En edificios que se encuentren en los casos b), c) d), y e) del apartado anterior, en el proyecto, se justificará la inclusión alternativa de medidas o elementos que produzcan un ahorro energético térmico o reducción de emisiones de dióxido de carbono, equivalentes a las que se obtendrían mediante la correspondiente instalación solar, respecto a los requisitos básicos que fije la normativa vigente, realizando mejoras en el aislamiento térmico y rendimiento energético de los equipos. Y se exige "Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica" para edificios que tengan el uso que dice la tabla 1.1 de la Sección HE 5 del Documento Básico HE del C.T.E.: Tabla 1.1 Ámbito de aplicación Tipo de uso Hipermercado Multitienda y centros de ocio Nave de almacenamiento Administrativos Hoteles y hostales Hospitales y clínicas Pabellones de recintos feriales Límite de aplicación 5.000 m2 construidos 3.000 m2 construidos 10.000 m2 construidos 4.000 m2 construidos 100 plazas 100 camas 10.000 m2 construidos Es decir, toda edificación q u e no tenga los usos y superficies de la tabla, sólo está obligada a instalar placas termosolares. 1 Antonio Rodríguez Silva FÍSICA I-PRÁCTICA Por otro lado, la instalación de placas solares, según los usos y características de la edificación, es una exigencia básica del C.T.E.; el cual, con respecto a las exigencias básicas dice: "las exigencias básicas deben cumplirse en el proyecto, la construcción, el mantenimiento y la conservación de los edificios y sus instalaciones." Y, además: - "El CTE se aplicará a las obras de edificación de nueva construcción, excepto a aquellas construcciones de sencillez técnica y de escasa entidad constructiva, que no tengan carácter residencial o público, ya sea de forma eventual o permanente, que se desarrollen en una sola planta y no afecten a la seguridad de las personas." - "Igualmente, el CTE se aplicará a las obras de ampliación, modificación, reforma o rehabilitación que se realicen en edificios existentes, siempre y cuando dichas obras sean compatibles con la naturaleza de la intervención y, en su caso, con el grado de protección que puedan tener los edificios afectados. La posible incompatibilidad de aplicación deberá justificarse en el proyecto y, en su caso, compensarse con medidas alternativas que sean técnica y económicamente viables." Lo expuesto en los párrafos anteriores se desarrolla en los artículos 1 Objeto y 2 Ámbito de aplicación del Capítulo 1 disposiciones Generales del C.T.E. Por otro lado, el C.T.E. indica el carácter de exigencia básica de las contribuciones procedentes de la energía solar en los puntos. 15.4. Exigencia básica HE 4: Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria En los edificios con previsión de demanda de agua caliente sanitaria o de climatización de piscina cubierta, en los que así se establezca en este CTE, 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 o de la piscina. Los valores derivados de esta exigencia básica tendrán la consideración de mínimos, sin perjuicio de valores que puedan ser establecidos por las administraciones competentes y que contribuyan a la sostenibilidad, atendiendo a las características propias de su localización y ámbito territorial. 15.5. Exigencia básica HE 5: Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica En los edificios que así se establezca en este CTE se incorporarán sistemas de captación y transformación de energía solar en energía eléctrica por procedimientos fotovoltaicos para uso propio o suministro a la red. Los valores derivados de esta exigencia básica tendrán la consideración de mínimos, sin perjuicio de valores más estrictos que puedan ser establecidos por las administraciones competentes y que contribuyan a la sostenibilidad, atendiendo a las características propias de su localización y ámbito territorial. En el caso de los edificios que ya están construidos, no sujetos de rehabilitación ni reforma, no se tiene obligación de cumplir el C.T.E. ni, por tanto, instalar las placas solares. AYUDAS PARA LA INSTALACIÓN DE SISTEMAS DE GENERACIÓN SOLAR DE AGUA CALIENTE SANITARIA Las correspondientes Comunidades Autónomas y el IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía) ofrecen subvenciones y préstamos para la instalación de sistemas de energía solar; de las cuales, para el caso que nos ocupa, sólo indicaremos las ayudas que tengan como uno de sus ámbitos los sistemas de generación solar de agua caliente sanitaria. 2 Antonio Rodríguez Silva FÍSICA I-PRÁCTICA IDAE. PROGRAMA SOLCASA. FINANCIACIÓN DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS EN EDIFICIOS. Los tipos de proyectos que pueden ser beneficiarios del programa son entre otros: o “Instalaciones solares para producción de agua caliente sanitaria y/o climatización de piscinas cubiertas”. Las instalaciones deberán realizarse en edificios de cualquier uso, que utilicen energía solar térmica para uso térmico y/o climatización, siempre y cuando el uso energético no sea para procesos industriales. Para el caso de instalaciones solares térmicas, los préstamos cubren: - “Instalaciones de energía solar por elementos para calentamiento de un fluido a partir de la captación de la radiación solar directa, mediante paneles solares homologados, para su utilización en aplicaciones térmicas”. Donde las partidas que pueden ser beneficiarias del préstamo son: - Sistema de captación solar y sistema de acumulación solar asociado. Incluyendo todas las conexiones, auxiliares y equipos necesarios para su correcta operación. - Obras necesarias para habilitación de locales o salas de calderas preexistentes a fin de adecuarlas al sistema solar térmico. - En su caso, máquina de absorción u otros equipos de climatización asociados directamente con la producción de frío con energía solar, así como los equipos auxiliares y materiales asociados para su correcta operación. - Equipos necesarios para el correcto aprovechamiento de la energía solar térmica (circuito hidráulico, sistema de intercambio, regulación, etc.) incluyendo su conexión al sistema de distribución en el edificio o su posible conexión con otros sistemas energéticos del edificio. - Sistema de distribución del calor y/o frío a las distintas estancias del edificio. - Sistemas eléctricos de control y monitorización. - Obra civil: en la que se incluyen excavaciones, cimentaciones, zanjas, urbanización, edificios, etc., siempre que esté directamente relacionada con la componente energética del proyecto. - Ingeniería y dirección de obra. Se trata de una línea de financiación a 10 años con el primero de carencia, cuyos beneficiarios pueden ser, entre otras, personas físicas y comunidades de propietarios. PROGRAMA ANDALUCIA A+ DE LA COMUNIDAD AÚTONOMA DE ANDALUCÍA El Programa “Andalucía A+” forma parte de las medidas previstas en el Plan Andaluz de Sostenibilidad Energética 2007 - 2013, y se compone, entre otras, de ayudas destinadas a ciudadanos que no desarrollan actividad económica asociada a la actuación para la cual se solicita subvención. 3 Antonio Rodríguez Silva FÍSICA I-PRÁCTICA Se destina a inversiones inferiores a 30.000 euros y que sean tramitadas por alguna de las empresas adheridas al programa A+; de forma que las empresas aplicarán un descuento en concepto de anticipo al beneficiario equivalente a la cuantía de la ayuda. Las instalaciones que pueden ser beneficiarias son, entre otras: • Instalaciones de sistemas solares térmicos prefabricados. • Instalaciones solares térmicas con superficie de captación menor de 7 m². Las ayudas pueden ser desde 400 euros para las instalaciones más pequeñas, hasta más de 2.000 euros, dependiendo del instalador, la superficie y el tipo de instalación, y se descontará del precio de la instalación siempre y cuando no supere el 60% del cociente entre el incentivo a pagar y el precio de la instalación adquirida. BIBLIOGRAFÍA AGENCIA ANDALUZA DE LA ENERGÍA. - Soy un Ciudadano [en línea] http://www.agenciaandaluzadelaenergia.es/agenciadelaenergia/nav/com/contenido.jsp?pag=/conteni dos/incentivos/Incentivos_09/Beneficiario/ciudadano [fecha de consulta 27 de mayo de 2011]. - Programa de Subvenciones para el desarrollo energético sostenible de Andalucía 2009-2014 [en línea] http://www.agenciaandaluzadelaenergia.es/agenciadelaenergia/nav/com/contenido.jsp?pag=/con tenidos/incentivos/incentivos_09&id=2 [fecha de consulta 27 de mayo de 2011]. - - Orden de 4 de febrero de 2009, por la que se establecen las bases reguladoras de un programa de incentivos para el desarrollo energético sostenible de Andalucía y se efectúa su convocatoria para los años 2009-2014 [en línea] http://www.agenciaandaluzadelaenergia.es/agenciadelaenergia/portal/com/bin/contenidos/incentivos /incentivos_09/1292489743651_orden_4_febrero.pdf [fecha de consulta 27 de mayo de 2011]. Orden del 7 de diciembre de 2010 por la que se modifica la de 4 de febrero de 2009, por la que se establecen las bases reguladoras de un programa de incentivos para el desarrollo energético sostenible de Andalucía y se efectúa su convocatoria para los años 2009-2014. [en línea] http://www.agenciaandaluzadelaenergia.es/agenciadelaenergia/portal/com/bin/contenidos/in centivos/incentivos_09/1292489789428_boja_modif._orden.pdf [fecha de consulta 27 de mayo de 2011]. INSTITUTO PARA LA DIVERSIFICACIÓN Y AHORRO DE LA ENERGÍA - Programa SOLCASA [en línea] http://www.idae.es/index.php/mod.pags/mem.detalle/idpag.521/relcategoria.1160/relmenu.171 [fecha de consulta 27 de mayo de 2011] - Informes técnicos IDAE. Programa SOLCASA [en línea] http://www.idae.es/uploads/documentos/documentos_SOLCASA_Inf._Tecnico_6e97a9b8.p df [fecha de consulta 27 de mayo de 2011] 4 Antonio Rodríguez Silva FÍSICA I-PRÁCTICA Ejercicio 4 GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD 100.000 90.000 80.000 70.000 GWh 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 FUENTE/AÑO 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Hidráulica 19.170 26.339 21.415 23.844 38.738 Nuclear 57.539 55.076 59.005 52.731 61.844 Carbón 77.393 71.855 46.290 33.859 22.084 Gas/Fuel 10.013 2.384 2.379 2.082 1.826 Ciclo combinado 48.840 68.137 91.280 78.296 64.625 26.368 31.135 36.188 42.702 Eólica 7.276 Fotovoltaica (renovables) 60000 Eólica 40000 Hidráulica Ciclo combinado Fotovoltaica Nuclear 20000 0 Gas/Fuel -20000 Crecimiento 2005-2010 -40000 -60000 Carbón -80000 De la observación de los dos gráficos, podemos obtener una serie de conclusiones: - La tendencia general en la generación de energía eléctrica la compone la que procede de fuentes renovables (eólica, hidráulica, fotovoltaica). Destacándose el crecimiento a ritmo constante de la eólica. La fuente clásica hidráulica experimenta también un crecimiento aunque de forma irregular. - Red eléctrica, en sus boletines estadísticos, no proporciona datos separados sobre la energía solar fotovoltaica hasta el año 2010; por tanto se podría deducir que antes de esa fecha sus datos no eran destacables y que, de ahora en adelante, se espera que sea una fuente en crecimiento. 5 Antonio Rodríguez Silva FÍSICA I-PRÁCTICA - Aunque también hay un aumento de la generación por ciclo combinado, se puede observar que desde el 2008 se está produciendo un franco descenso. - Por su parte, de la generación procedente de la energía nuclear, aunque ha tenido un leve ascenso a la vista de la evolución a lo largo de los años, no podemos decir que vaya en aumento sino más bien, en líneas generales, se mantiene en su producción. - Por otro lado, las fuentes no renovables (carbón y gas) han sufrido un notable y constante descenso y observamos que es muy significativa la caída de la producción procedente del carbón, la cual se sitúa en el penúltimo puesto en el año 2010 a pesar de que estuviese en el primero en el 2005. El Gas/fuel, si bien tiene una caída en términos absolutos menor a la del carbón; en términos relativos, podemos ver que ha caído entorno al 80% de su producción. Por lo tanto podemos concluir que existe una clara tendencia a la utilización de fuentes renovables con el despunte de la energía solar fotovoltaica, el crecimiento constante de la eólica y el aumento de la electricidad generada por fuentes hidráulicas. Por otro lado hay una destacable caída en las fuentes no renovables y la energía nuclear, por su parte, se mantiene en su producción. FUENTES DE INFORMACIÓN RED ELÉCTRICA DE ESPAÑA - Boletín mensual. nº 48 Diciembre 2010. - Boletín mensual. nº 36 Diciembre 2009. - Boletín mensual. nº 24 Diciembre 2008. - Boletín mensual. nº 12 Diciembre 2007. - Boletín Estadístico de energía eléctrica. nº 91 Diciembre 2005. [en línea] http://www.ree.es/sistema_electrico/estadistico.asp [fecha de consulta 27 de mayo de 2011]. (Este sitio web no proporciona información a diciembre de 2006, por ello no se incluyen los datos de ese año) 6 Antonio Rodríguez Silva FÍSICA I-PRÁCTICA Ejercicio 5 La fusión nuclear es la reacción en la que núcleos ligeros se unen para formar un núcleo estable más pesado. En este proceso, se libera gran cantidad de energía debido a que, tras la reacción, la suma de las masas de los nuevos núcleos formados es menor que la suma de las masas de los núcleos iniciales. Esta diferencia de masa da lugar a una gran liberación de energía en forma de radiación electromagnética y energía cinética de los núcleos finales. Para que se produzca una reacción de fusión nuclear, se necesitan fundamentalmente dos condiciones: • Calentar hasta muy alta temperatura el combustible para proporcionar a las partículas la energía cinética suficiente para fusionarse; ya que, para la fusión, es necesario romper la llamada barrera coulombiana: combinación de la fuerte atracción a corto alcance entre nucleones debida a la fuerza nuclear fuerte y la repulsión entre protones gracias a la fuerza electromagnética, de menos magnitud, pero de mayor alcance. Para obtener reacciones de fusión, la energía de las partículas ha de ser elevada para tener alta probabilidades de atravesar la barrera coulombiana y, así, los núcleos se acerquen; esto se traduce en la necesidad de tener partículas con altas energías cinéticas, o lo que es lo mismo, tener un plasma a altas temperaturas –a estas temperaturas tan elevadas, el medio ya no está en estado gaseoso sino de plasma. • Confinar el combustible un tiempo suficiente para que las partículas puedan reaccionar. Esto debe ser así porque, para que la probabilidad de acercamiento de los núcleos se eleve aún más, es necesario elevar el número de colisiones entre partículas; para ello podemos actuar sobre la velocidad de las partículas (es decir, sobre la temperatura del plasma como hemos visto) y sobre el tiempo durante el que las partículas mantienen una densidad determinada. A este tiempo se le llama tiempo de confinamiento; siendo el confinamiento el hecho de que el plasma permanezca en un volumen limitado. Como sabemos, un plasma o un gas tiende a expandirse para ocupar todo el volumen disponible; si se quiere que un plasma no se expanda, será necesario compensar la presión cinética con una presión externa. Así pues, la obtención de esta presión externa es el modo de confinamiento; que puede ser: Gravitacional. Magnético. Inercial. Es de señalar que estas dos condiciones se cumplen en el Sol, ya que: • Hay una gran concentración de partículas que chocan entre sí y se calientan hasta alcanzar temperaturas suficientes para que se produzca la fusión. • La fuerza gravitatoria confina las partículas en el propio Sol. De hecho, la fusión nuclear es la reacción que ocurre en el Sol (y resto de estrellas) y la energía liberada en esta reacción llega a nosotros en forma de radiación electromagnética (en la franja del espectro electromagnético que le corresponda). 7 Antonio Rodríguez Silva FÍSICA I-PRÁCTICA Pero en un reactor de fusión no es posible confinar las partículas por la fuerza gravitacional, con lo que se han desarrollado los otros dos tipos de confinamiento que hemos señalado: • Confinamiento magnético, en el que las partículas permanecen en un espacio limitado bajo la acción de un campo magnético. En el plasma, los iones y electrones se mueven libremente al ser el plasma conductor de la electricidad. Si se aplica un campo magnético al plasma, los iones y electrones seguirán unas trayectorias determinadas, que se procurará que sean de tipo helicoidal, alrededor de las líneas de campo; y quedarán atrapados en ellas. Con lo cual, el plasma queda confinado. Para crear las líneas de campo helicoidal se han ideado dos tipos de instalaciones: • o El tokamak, en el que el campo está generado (dentro de una recinto toroidal) por una corriente eléctrica que circula en el plasma y que a su vez está generada por la variación de un campo magnético exterior. o El stellator, donde el campo es generado por corrientes que circulan por bobinas externas. Confinamiento inercial, en el que la partículas están concentradas a alta densidad gracias a la acción de una presión externa. La presión externa está producida por láseres de gran potencia aplicados sobre cápsulas de combustible; así, la energía se produce de forma discreta, tratando una a una las cápsulas de combustible. En este tipo de confinamiento consigue contener plasma durante muy poco tiempo, pero a densidades muy altas; con lo que se consiguen gran cantidad de reacciones, frente al confinamiento magnético que consigue densidades menores pero durante más tiempo y durante tiempo contínuo. Con respecto al combustible utilizado, hemos de añadir que, entre las posibles reacciones de fusión de núcleos de hidrógeno, la más viable en las condiciones a las que se puede llegar en la Tierra es la que funde un núcleo de deuterio y uno de tritio, produciéndose un núcleo de helio y un neutrón, más una energía muy elevada. PARTICIPACIÓN ESPAÑOLA EN PROYECTOS DE FUSIÓN NUCLEAR. Según los tipos de confinamiento expuestos, hemos encontrado dos grandes proyectos de investigación en diferentes etapas de desarrollo; en ambos proyecto se tiene participación española: FUSIÓN CON CONFINAMIENTO MAGNÉTICO En la década de 1960 apareció el concepto del tokamak, desde entonces, se ha probado diferentes propuestas científicas y técnicas. Por medio del CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) España ha participado en diferentes programas internacionales como los que dieron fruto al tokamat TJ-I y los stellators TJ-IU y TJ-II (el TJ-II está en operación y se considera como uno de los tres más importantes de su clase en el mundo). PROYECTO ITER En 1985 se propuso la construcción internacional de un dispositivo experimental de tipo tokamak con el fin de consolidar las investigaciones y experimentos en curso por Estados Unidos, la, por entonces, Unión soviética, Europa y Japón. El programa tomó el nombre de ITER (International Tokamak Experimental Reactor). 8 Antonio Rodríguez Silva FÍSICA I-PRÁCTICA España de incorporó al proyecto ITER y en el año 2003 presentó su candidatura en el emplazamiento de Vandellós (Tarragona), en competición la propuesta francesa de Cadarache. Finalmente fue elegida la candidatura francesa que representó a la Unión Europea frente a Canadá y Japón. Actualmente el proyecto está emplazado en Cadarache. Según la definición del propio proyecto, “ITER es un experimento científico a gran escala destinado a probar la viabilidad de la fusión como fuente de energía, y para recoger los datos necesarios para el diseño y puesta en marcha de la primera planta de producción de eléctrica por energía de fusión”. Así pues, su trabajo se centra en la construcción de un reactor de fusión nuclear que pudiese servir de modelo comercial. FUSIÓN CON CONFINAMIENTO INERCIAL. PROYECTO HIPER Por otra parte, España también participa en el proyecto HiPER (European High Power laser Energy Research) que tiene como objetivo demostrar la factibilidad de la fusión por láser de alta potencia para la generación de energía. En el proyecto se porpone utilizar un método óptico de generación de energía llamado fast ignition, que separa el proceso en dos partes: comprensión y combustión del combustible. El método prevé que se necesite láseres de menor potencia de forma que sea posible su implantación comercial para centrales eléctricas. HIPER es un consorcio de 25 instituciones de 11 naciones, donde España participa en este proyecto a través de la Universidad Complutense de Madrid. El proyecto se encuentra actualmente en fase de preparación con previsión de inicio de construcción del modelo en 2014 y operación en la década de 2020. BIBLIOGRAFÍA MORO VALLINA, M. (2005). Fundamentos de ingeniería nuclear. Madrid: Documento preparado a partir del material fotocopiado elaborado por el equipo docente de la asignatura, Javier Sanz Gozalo, Mireia Piera Carreté, Patrick Sauvan, Francisco Ogando Serrano, Mercedes Alonso Ramos y Miguel Embid Segura: Fundamentos de Ingeniería Nuclear. Madrid, 2005. Los apuntes corresponden a la asignatura homónima del Plan de Estudios de 2001 de Ingeniería Industrial de la UNED. INTERNATIONAL TOKAMAK EXPERIMENTAL REACTOR. The Project. [en linea] http://www.iter.org/proj [fecha de consulta 27 de mayo de 2011]. - - What is Fusion? [en linea] http://www.iter.org/sci/whatisfusion [fecha de consulta 27 de mayo de 2011]. ITER: the world's largest Tokamak. [en linea] http://www.iter.org/mach [fecha de consulta 27 de mayo de 2011]. MINISTERIO DE INDUSTRIA, COMERCIO Y TURISMO. SECRETARÍA DE ESTADO DE ENERGÍA. Energía nuclear. [en línea] http://www.mityc.es/energia/nuclear/Paginas/ IndexEnergiaNuclear.aspx [fecha de consulta 27 de mayo de 2011]. CENTRO DE ESTUDIOS MEDIOAMBIENTALES Y ENERGÉTICOS. LABORATORIO NACIONAL DE FUSIÓN. La fusión [en linea]. http://www-fusion.ciemat.es/New_fusion/es/Fusion/ [fecha de consulta 27 de mayo de 2011]. FORO NUCLEAR (2003).”Hacia la fusión nuclear. El programa ITER”. El núcleo (nº 3 Enero 2003). [en línea] http://www.foronuclear.org/detalle_articulonucleo.jsp?id=3 [fecha de consulta 27 de mayo de 2011]. EUROPEAN HIGH POWER LASER ENERGY RESEARCH. Key Facts. laser.org/keyfacts/KeyFacts.asp [fecha de consulta 27 de mayo de 2011]. 9 [en línea] http://www.hiper-