El universo de las energías renovables

Perales Benito, Tomás

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Las energías renovables involucran a un elevado número de actores. A diferencia de los procedimientos energéticos tradicionales movidos por su propia inercia, los derivados directa o indirectamente del Sol demandan promoción social y formación en muy diferentes niveles con anterioridad a las acciones específicas: la búsqueda de emplazamientos, la instalación, la explotación y el mantenimiento. Este libro, con título tan elevado, se ha gestado para presentar todos los procedimientos de condición renovable actuales a los interesados en conocer sus fundamentos tecnológicos, sus aplicaciones y sus repercusiones medioambientales. No invade competencias de los proyectistas e instaladores, para los que existen otros textos. En él se describen, con el nivel adecuado a quienes deben moverse sobre todo su mundo científico, técnico y social, los procedimientos fotovoltaico y eólico; los térmicos e hidráulicos en todas sus formas; el del hidrógeno, la biomasa y los biocombustibles. Como complemento agrega diversos anexos con datos acerca de las unidades de medida y páginas web de las instituciones nacionales e internacionales en las que se puede recabar más información. Tomás Perales Benito viene simultaneando desde hace más de 30 años la docencia y la literatura. Ha escrito 25 libros dedicados a temas de divulgación tecnológica, como las energías renovables, uno al estraperlo que se produjo en el periodo histórico de la posguerra y cientos de artículos de opinión y crítica. Ha cultivado también el cuento tradicional. Cuenta con el premio de relato corto Félix Grande.

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Índice

1. CAMBIO CLIMÁTICO: SITUACIÓN Y PERSPECTIVAS ............. 1 1.1 Introducción .............................................................................................. 1 1.2 Efecto invernadero .................................................................................... 1 1.3 Reducción de la capa de ozono ................................................................. 3 1.4 Desarrollo y deterioro medioambiental ..................................................... 3 1.5 Protocolos .................................................................................................. 4 1.6 Lucha contra el cambio climático ............................................................. 5 1.7 Dependencia por los combustibles convencionales .................................. 7 2. CAPTURA Y APROVECHAMIENTO DEL CO2 ............................... 9 2.1 Introducción .............................................................................................. 9 2.2 Captura, transporte y almacenamiento del CO2 (CAC) ........................... 10 2.3 Procedimientos de captura ...................................................................... 12 2.4 Condiciones del almacenamiento ............................................................ 14 2.5 Aprovechamiento industrial .................................................................... 14 3. ENERGÍAS RENOVABLES: PROCEDIMIENTOS ........................ 15 3.1 Introducción ............................................................................................ 15 3.2 Energía primaria ...................................................................................... 16 3.3 Procedimientos ........................................................................................ 17 3.3.1 Eólico ......................................................................................................... 18 3.3.2 Fotovoltaico ............................................................................................... 20 3.3.3 Sistema híbrido .......................................................................................... 22 3.3.4 Aspectos comunes entre fotovoltaica y eólica ............................................ 23 3.3.5 Térmico ...................................................................................................... 24 3.3.6 Hidráulico .................................................................................................. 29 3.3.7 Geotérmico ................................................................................................ 32 3.3.8 Chimeneas solares ..................................................................................... 33 3.3.9 Biocarburantes........................................................................................... 34 3.3.10 Biomasa ................................................................................................... 36 3.3.11 Pilas de combustible ................................................................................ 37 3.4 Tipos de instalaciones ............................................................................. 38 3.5 Almacenamiento de energía .................................................................... 39 3.5.1 Electricidad ................................................................................................ 39 3.5.2 ACS ............................................................................................................ 40 3.5.3 Depósitos de sales ...................................................................................... 40 3.6 El Código Técnico de la Edificación (CTE) ........................................... 40 3.6.1 Aportación ................................................................................................. 40 3.6.2 Rendimiento ............................................................................................... 40 3.6.3 Zonas climáticas ........................................................................................ 41 3.6.4 Aportación mínima .................................................................................... 41 3.6.5 Pérdidas en las instalaciones ..................................................................... 43 3.6.6 Cálculo de la demanda de ACS.................................................................. 43 4. REPERCUSIONES ECONÓMICAS Y MEDIOAMBIENTALES ...................................................................... 45 4.1 Introducción ............................................................................................ 45 4.2 Producción eléctrica ................................................................................ 46 4.2.1 Primas a la generación de origen renovable ............................................. 47 4.2.2 Consumo y planes para reducirlo .............................................................. 48 4.3 Efectos sobre la economía ....................................................................... 50 4.3.1 Desarrollo tecnológico local ..................................................................... 50 4.3.2 Creación de empleo ................................................................................... 51 4.4 Efectos sobre el medio ambiente ............................................................. 52 4.5 Legislación .............................................................................................. 54 5. CONDICIONES FÍSICAS DE LA LUZ Y EL VIENTO ................... 59 5.1 Introducción ............................................................................................ 59 5.2 Condiciones para los procedimientos fotovoltaicos y térmicos .............. 60 5.2.1 Masa de aire .............................................................................................. 61 5.2.2 Irradiación ................................................................................................. 62 5.2.3 Horas pico de Sol ....................................................................................... 63 5.2.4 Mapas de irradiación ................................................................................. 63 5.3 Recepción solar sobre superficies inclinadas .......................................... 65 5.3.1 Variaciones estacionales de la irradiación ................................................ 66 5.3.2 Posición de los receptores solares ............................................................. 66 5.3.3 Sombras sobre los receptores .................................................................... 68 5.4 Fundamentos de la energía eólica ........................................................... 70 5.4.1 Tipos de vientos ......................................................................................... 70 5.4.2 Determinación de la dirección y velocidad del viento ............................... 72 5.4.3 Conceptos relacionados con el aprovechamiento eólico ........................... 75 5.5 La potencia del viento ............................................................................. 78 5.5.1 Energía cinética ......................................................................................... 78 5.5.2 Potencia motriz .......................................................................................... 78 5.5.3 Coeficiente de Betz ..................................................................................... 79 5.5.4 Coeficiente de potencia .............................................................................. 79 6. PROCEDIMIENTO FOTOVOLTAICO ............................................ 81 6.1 Introducción ............................................................................................ 81 6.2 Configuraciones ...................................................................................... 81 6.2.1 Aisladas ...................................................................................................... 81 6.2.2 Con conexión a red .................................................................................... 82 6.3 Módulos fotovoltaicos ............................................................................. 85 6.3.1 Antecedentes .............................................................................................. 85 6.3.2 Fundamentos .............................................................................................. 86 6.3.3 Los módulos fotovoltaicos y el efecto sombra ............................................ 87 6.3.4 Conexión de los módulos ........................................................................... 89 6.3.5 Tipos de células ......................................................................................... 90 6.3.6 Concentración de la luz ............................................................................. 92 6.4 Soportes para los módulos ....................................................................... 97 6.5 Acumuladores ......................................................................................... 98 6.5.1 Tipos de baterías ........................................................................................ 98 6.5.2 Características ........................................................................................... 99 6.6 Reguladores de carga ............................................................................ 100 6.6.1 Regulación en serie .................................................................................. 102 6.6.2 Regulación en paralelo ............................................................................ 102 6.6.3 Características eléctricas ........................................................................ 103 6.7 Inversores .............................................................................................. 104 6.7.1 Clases de inversores ................................................................................ 104 6.7.2 Tecnología ............................................................................................... 106 6.7.3 Características ......................................................................................... 107 6.8 Instalaciones industriales....................................................................... 108 7. PROCEDIMIENTO EÓLICO ........................................................... 109 7.1 Introducción .......................................................................................... 109 7.2 Evolución .............................................................................................. 110 7.3 Aerogeneradores de eje horizontal ........................................................ 112 7.3.1 Sistema de captación ............................................................................... 113 7.3.2 Transmisión mecánica ............................................................................. 115 7.3.3 Generación eléctrica ................................................................................ 116 7.3.4 Sistema de orientación ............................................................................. 120 7.3.5 Sistema de regulación de potencia ........................................................... 121 7.3.6 Sistema de refrigeración .......................................................................... 122 7.3.7 Sistema de sustentación ........................................................................... 122 7.4 Aerogeneradores de eje vertical ............................................................ 124 7.5 Instalaciones .......................................................................................... 126 7.5.1 Aisladas .................................................................................................... 126 7.5.2 Parques eólicos en tierra ......................................................................... 126 7.5.3 Parques eólicos en el mar ........................................................................ 127 7.6 Características ....................................................................................... 128 7.7 Instalaciones industriales....................................................................... 130 8. PROCEDIMIENTO TÉRMICO DE BAJA TEMPERATURA: ACS .......................................................... 131 8.1 Introducción .......................................................................................... 131 8.2 Circulación natural ................................................................................ 132 8.3 Circulación forzada ............................................................................... 133 8.4 Circuitos hidráulicos ............................................................................. 133 8.5 Componentes ......................................................................................... 134 8.5.1 Captadores solares .................................................................................. 134 8.5.2 Intercambiador térmico ........................................................................... 141 8.5.3 Acumulador .............................................................................................. 141 8.6 Sistema de apoyo ................................................................................... 143 8.7 Centrales de control ............................................................................... 143 9. PROCEDIMIENTO TÉRMICO DE ALTA TEMPERATURA .................................................................... 145 9.1 Introducción .......................................................................................... 145 9.2 Sistemas de vapor .................................................................................. 146 9.2.1 Cilindro-parabólico ................................................................................. 147 9.2.2 De torre .................................................................................................... 153 9.2.3 Almacenamiento térmico ......................................................................... 155 9.3 Sistema de disco .................................................................................... 157 9.3.1 Concentradores ........................................................................................ 158 9.3.2 Motor Stirling .......................................................................................... 159 9.4 Seguidores solares ................................................................................. 160 9.4.1 Un eje ....................................................................................................... 160 9.4.2 Dos ejes .................................................................................................... 161 9.4.3 Información de las coordenadas .............................................................. 161 9.5 Sistema de chimenea ............................................................................. 161 9.5.1 Principio físico ......................................................................................... 162 9.5.2 Perspectivas ............................................................................................. 163 9.6 Instalaciones industriales....................................................................... 163 10. PROCEDIMIENTO HIDRÁULICO Y MARINO ......................... 165 10.1 Introducción ........................................................................................ 165 10.2 Tipos de instalaciones ......................................................................... 166 10.3 Turbinas ............................................................................................... 167 10.3.1 Pelton ..................................................................................................... 169 10.3.2 Francis ................................................................................................... 169 10.3.3 Kaplan .................................................................................................... 170 10.4 Control de velocidad y generación eléctrica ....................................... 170 10.5 Recursos en el mar .............................................................................. 171 10.5.1 Mareomotriz .......................................................................................... 171 10.5.2 Mareomotérmica .................................................................................... 173 10.5.3 Undimotriz ............................................................................................. 174 10.6 Instalaciones industriales ..................................................................... 175 11. PROCEDIMIENTO GEOTÉRMICO ............................................. 177 11.1 Introducción ........................................................................................ 177 11.2 Recursos geotérmicos .......................................................................... 178 11.3 Aprovechamiento de los recursos ....................................................... 180 11.3.1 Recursos de alta temperatura ................................................................ 180 11.3.2 Recursos de media temperatura ............................................................. 181 11.3.3 Recursos de baja temperatura ............................................................... 181 11.3.4 Recursos de muy baja temperatura ........................................................ 182 12. HIDRÓGENO .................................................................................... 187 12.1 Introducción ........................................................................................ 187 12.2 Un desarrollo en tres actos .................................................................. 188 12.3 Generación de hidrógeno .................................................................... 189 12.3.1 Electrolizadores ..................................................................................... 189 12.3.2 Transporte y almacenamiento del hidrógeno ........................................ 192 12.4 Pilas de combustible ............................................................................ 192 12.4.1 Topologías ............................................................................................. 192 12.5 Áreas de aplicación ............................................................................. 195 12.6 Instalaciones industriales ..................................................................... 195 13. BIOMASA .......................................................................................... 197 13.1 Introducción ........................................................................................ 197 13.1.1 Repercusión medioambiental ................................................................. 197 13.1.2 Repercusión económica ......................................................................... 198 13.2 Retorno a los viejos combustibles ....................................................... 198 13.3 Aprovechamiento energético ............................................................... 200 13.3.1 Combustión ............................................................................................ 200 13.3.2 Gasificación ........................................................................................... 200 13.3.3 Pirólisis .................................................................................................. 200 13.4 Instalaciones industriales ..................................................................... 201 14. INSTRUMENTOS DE MEDIDA, ANÁLISIS Y GESTIÓN .................................................................... 203 14.1 Introducción ........................................................................................ 203 14.2 Control ................................................................................................. 203 14.3 Monitorización .................................................................................... 204 14.4 Climatología ........................................................................................ 205 14.4.1 Pirheliómetro ......................................................................................... 206 14.4.2 Piranómetro ........................................................................................... 207 14.4.3 Anemómetro ........................................................................................... 208 14.4.4 Veleta ..................................................................................................... 210 ANEXO I. GLOSARIO DE TÉRMINOS TÉCNICOS ........................ 211 ANEXO II. UNIDADES DE ENERGÍA ................................................ 225 ANEXO III. WEBS DE INTERÉS ......................................................... 229 ANEXO IV. BIBLIOGRAFÍA ................................................................ 231

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