Gestión y economía de la Energía Solar Térmica

Resumen

Teniendo en cuenta que el uso de la energía renovable es de vital importancia en la actualidad como única vía de evitar el agotamiento de los combustibles fósiles y la contaminación ambiental se hace necesario poner en práctica la utilización de forma masiva de la energía solar térmica para el calentamiento de agua, teniendo como problema ¿Cómo disminuir el consumo de combustibles fósiles con la utilización de las fuentes de energía renovable? y como objetivo aplicar tecnología que respondan al uso de este tipo de energía como vía de ahorro y de descontaminación ambiental. Este  trabajo consiste en el montaje y evaluación económico-energético de la instalación de  sistemas solares de tubos al vació para calentamiento de agua en dos comunidades de la Isla de la Juventud con características semejantes.

Palabras claves: Economía, energía solar térmica.

Summary

Considering that the use of the renewable energy is by vital importance as of the present moment like only road of avoiding the exhaustion of the fossil fuels and the environmental contamination is  done necessary to put into practice the utilization of massive form of the thermic solar energy for the heating of water, having like problem How do we decrease the consumption of fossil fuels with the utilization of the sources of renewable energy? And as I confer an objective aspect to apply technology that they answer to the suchlike use of energy like road of saving and of environmental decontamination. This work consists in the set-up and evaluation economic energetic of the installation of solar systems of pipes to the you emptied for heating of water in two communities of the young’s Island with similar characteristics.

Key words: Economy, thermic solar energy.

 INTRODUCCIÓN

La historia de la humanidad ha estado ligada, de manera indisoluble, al consumo de energía. El desarrollo tecnológico y bienestar social implican mayor consumo energético a escala mundial acentuándose el mayor consumo energético en los países industrializados, al llamado norte del Mundo superando así a los índices de consumo de los países en vías de desarrollo nombrados como los del  sur.

Se prevé que seguirá aumentando el consumo de gas natural para la generación de electricidad, representando el 30% de la generación eléctrica mundial en el año 2025.

En Cuba en el año 2001 del total de energía eléctrica generada un 79 % correspondió a la generación por petróleo, y un 17% a la generación con biomasa cañera (2).

El consumo cada vez creciente de energía no podrá ser satisfecho por las llamadas fuentes tradicionales basadas en los combustibles fósiles: carbón, gas y petróleo, por lo que estas fuentes deberán ser paulatinamente sustituidas por otras fuentes, que a su vez sean renovables.

Según lo planteado en el Capítulo VIII, en el lineamiento 247 de la Política Económica y Social, aprobado en el VI Congreso del PCC consiste en potenciar el aprovechamiento de las distintas fuentes renovables de energía.

A partir de la problemática presentada, se formula el siguiente problema científico.

  • ¿Cómo disminuir el consumo de combustibles fósiles con la utilización de las fuentes renovable de energía?

Para  resolver lo planteado se expone el objetivo general siguiente:

  • Aplicar tecnología que responda al uso de la energía solar térmica como vía de ahorro y de descontaminación ambiental en todo el territorio.

La investigación se sustenta en la Hipótesis siguiente:

  • Si se aplica una tecnología para el calentamiento de agua usando la energía solar térmica, entonces mejorara el ahorro  del consumo de combustibles fósiles y  la contaminación del medio ambiente.

En el desarrollo de la investigación se utilizaron métodos teóricos y empíricos que integran técnicas e instrumentos de diversas índoles. Dentro de los métodos teóricos empleados se encuentran el análisis y síntesis de la información obtenida a partir de la literatura especializada y la consulta de expertos en los temas tratados; el inductivo-deductivo para el análisis del proceso; el sistémico-estructural para analizar las partes e interrelaciones del proceso y la modelación para la concepción de la propuesta realizada. Los métodos empíricos utilizados están relacionados con instrumentos psicosociales de búsqueda de información, criterio de expertos y métodos estadísticos. Entre ellos la observación de procesos, encuestas, entrevistas no estructuradas a directivos y especialistas, aplicación de listas de chequeo y técnicas de trabajo en grupo.

 DESARROLLO

 1.1.- El consumo energético mundial

La mayor parte del consumo energético se basa en combustibles fósiles, con muchas diferencias entre los países. Sólo los EU consume el 25% del total mundial. Los países desarrollados consumen 80 veces más que los subdesarrollados .Sólo la cuarta parte de la población mundial consume las ¾ partes de toda la energía.

 1.2.-Reservas de combustibles.

Con excepción de la energía nuclear, las fuentes de energía provienen del Sol, de acuerdo con el tiempo de acumulación se pueden clasificar en: Instantáneas: FV (fracciones de segundos) y solar térmica (menor 1 hora). Contemporáneas: viento (3 días), hidro (≤ 1 año), biomasa (varios años) y  madera (∼10 años). Fósiles: carbón (mayor 100 000 años), petróleo y gas (mayor 1 millón de años).

Con relación a la energía nuclear disminuye drásticamente la contaminación ambiental. Mucho se ha escrito sobre los problemas del medio ambiente. Ha aumentado mucho la “preocupación” pero no tanto la “ocupación” del problema, se incorporan a la atmósfera cada año [6] 5.6 109 ton. métricas de carbón en forma de CO2, responsable en un 50% del calentamiento atmosférico (efecto invernadero). El sector más contaminante en el mundo es el energético (57%). En EU las empresas eléctricas arrojan más de 400 millones de ton. de carbón a la atmósfera al año en forma de CO2 (8% mundial), más que la energía total que consume Japón, o cualquier país europeo, o toda la América Latina junta. La emanación total de CO2 en EU (en todos los sectores) es mucho mayor (6.4 millones ton./año) y plantea una ligera disminución de las futuras emanaciones.

 1.3-Indicadores energéticos.

Existen dos tipos de indicadores energéticos,

(1) Los indicadores que siguen a las actividades que manejan el uso de la energía, por ejemplo, la cantidad de producción industrial, las toneladas/kilómetro recorridos o el número de aparatos eléctricos por persona.

(2) Los indicadores que rigen el desarrollo de la intensidad energética, por ejemplo, energía/pasajero-Km. o energía/valor agregado en una rama industrial.

  • Intensidad Energética.

Es la que mide la productividad del proceso económico. El desarrollo económico de un país se basa en la producción de energía, que juega un papel predominante para el impulso económico sostenible, pero también es un factor que contribuye en la contaminación del aire. El impacto futuro del sector energético en el medio ambiente depende en gran medida de la capacidad de la creación de políticas energéticas, para integrar bien los temas ambientales. Una manera de integración se da con base en el manejo de la intensidad energética.

La intensidad energética nos muestra cuánta energía se requiere para generar una unidad del PIB, cuánta se consume para mover un vehículo, cantidad por vivienda, cantidad por habitante, cantidad por tipo de servicio o de industria, etc. de tiempo. Para el cálculo de las intensidades, se requiere contar con un balance de energía que nos indique el uso final de la misma, a qué sectores de la economía se dirige y cuáles son los patrones de consumo.

 1.4- Energías Renovables.

Todas las formas de energía renovable son válidas. Algunas de ellas existen solamente en lugares específicos como la geotérmica, la hidroeléctrica y la eólica. Con relación a Cuba las más prometedoras son: biomasa, termosolar, eólica (limitado) y fotovoltaica, esta última forma de energía.

Cuba está sometida a una extrema dependencia del petróleo, tanto para el transporte como para la generación de electricidad, sobre la base de una distribución de plantas termoeléctricas de petróleo, no se aprovecha la componente directa de la radiación solar que oscila entre un 65  y  80 % de intensidad

 1.5-La energía solar.

En  la medida que generamos energía de la que nos llega “cotidianamente” del Sol (fuentes instantáneas o contemporáneas), desechando las fuentes fósiles o no solares ayudamos al equilibrio termodinámico natural Sol-tierra. Última forma de energía, motivo de este proyecto de programa, por supuesto debe enmarcarse como parte de una estrategia energética integral y de diversidad mayor posible, de acuerdo con la explotación más racional disponible.

 1.6-Costo de la energía.

Los costos de la energía son muy convencionales y coyunturales. ¿Qué precio tiene lo que la naturaleza acumuló, por cierto, con bajísima eficiencia, durante millones de años? ¿Cuánto cuesta recuperar la atmósfera contaminada? ¿Cuánto cuesta (o costará) un petróleo agotado? ¿Cuánto cuesta corregir un ecosistema alterado? ¿Cuánto cuesta curar o atender enfermos por contaminación? Vimos que la responsabilidad mayor está en los países desarrollados industrialmente.

Muchos países pobres tienen que gastar más de la mitad de sus escasas divisas comprando combustible, sólo la instalación  de 1 metro de línea eléctrica cuesta de $20.00 a $25.00.

Mientras la energía se trate sólo como un “negocio” a nivel internacional, se impondrá la irracionalidad y no habrá solución.

Un aspecto a incluir en las estrategias sería la disminución del consumo energético de los equipos electrodomésticos, por ejemplo: refrigerador, de 350 a 50 Kwh/año; freezer, de 500 a 100 Kwh/año; lavadora de 400 a 115 Kwh/año; etc.

1.7- En el marco de la revolución energética en Cuba, se desarrollo este  trabajo en la Isla de la Juventud considerando dos escenarios para realizar las pruebas de eficiencia energética en el uso de los calentadores solares chinos de tubos al vacío:

 Escenario 1, conjunto de 7 edificios en el reparto Zona Industrial, Gerona, con un total de 126 apartamentos a los que se les instalaron 126 calentadores solares y puestos en marcha a finales del mes de diciembre 2007. Se ubicaron dos metros contadores totalizadores, uno en cada alimentador a la salida de cada uno de los dos transformadores de distribución que alimentan a los 7 edificios.

 Escenario 2, conjunto de 3 edificios del reparto Abel Santamaría, cada uno con 40 apartamentos  (120 clientes), a los cuales no se les instalaron calentadores solares. En cada edificio se colocó un metro totalizador en la acometida de entrada.

Para realizar la recogida de la información se ubicaron metros contadores electrónicos similares a un analizador de redes, capaces de almacenar en memoria el registro de la demanda cada 15 minutos con posibilidades de extraerla hacia una computadora portátil.

El método empleado es por comparación de las mediciones en dos escenarios seleccionados con similares características y concentración de clientes, diferenciados únicamente por el calentador solar, de manera de discriminar el efecto de la variación de la temperatura que provoca un comportamiento diferente en el consumo y en la demanda del sector residencial.

Las mediciones  de la instalación de los calentadores abarcan los días Laborables y No Laborables (sábado y domingo) desde el 1 de diciembre al 21 de diciembre 2007.

Las mediciones después de la instalación y puesta en marcha de los calentadores abarcan los días Laborables y No Laborables desde el 5 de enero al 23 de enero del 2008.

 2.-EVALUACIÓN DEL IMPACTO DE CALENTADORES SOLARES DE TUBOS AL VACIO CHINOS EN CLIENTES RESIDENCIALES DE LA ISLA DE LA JUVENTUD.

El ahorro promedio diario de un cliente que tiene instalado un calentador solar de tubos al vacío del Modelo LPPCA47-1514-42 ALF. R.P.China (90 litros del tanque de almacenamiento y 1,1 metro cuadrado de área de captación solar), es de:

0,9 kWh en Días No Laborables y

0,8 kWh en los Días Laborables.

Representa al mes 25 kWh menos de consumo promedio por cliente.

El promedio de personas por cliente en este escenario con 126 apartamentos es de 4, o sea el ahorro percápita diario es de 208 Watt-hora.

Instalando 21 mil calentadores en la Isla, se ahorra diario 17,5 MWh, con lo que se podrían electrificar 2060 nuevas viviendas en la Isla de la Juventud.

 2.2.-RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados de la encuesta a 118 clientes de este escenario para conocer los medios utilizados para el calentamiento de agua antes del montaje y puesta en marcha de los calentadores solares fue el siguiente:

Con tirabuzón:                     54,2 %

Con hornilla eléctrica:         30,5 %

Con olla arrocera:               1,7 %

Con olla reina:                    1,7 %

Con gas:                               2,5 %

Un total de 316 personas (75,4 % del total) informaron que utilizaban agua caliente para bañarse. En encuesta realizada por la OBE, arrojó que el 90,7 % de las personas entrevistadas usan regularmente el agua caliente disponible para bañarse.

Se comienza a utilizar este servicio en otras actividades como descongelamiento y preparación de alimentos, el fregado, en el afeitado, lavado de cabello, lavar ropa, limpiar, etc., lo cual expresan las personas con satisfacción de la comodidad que ello representa, rapidez y ahorro de electricidad, tiempo y de jabones  y detergentes.

 Tabla # 1

Disminución del consumo promedio diario x cliente en kWh por la introducción del calentador

 No LaborablesLaborables 
AntesDespuésDifer.AntesDespuésDiferencia
Con calentador solar

Escenario 1

10,08,5-1,58,77,5-1,2 
Sin calentador solar.

Escenario 2

9,28,4-0,67,97,5-0,4 
Ahorro diario

por el calentador

Neto

(Escenario 1-2)

-0,9Neto

(Escenario 1-2)

-0,8 
Ahorro al mes

por cliente

9,016,025,0 kWh/mes
Impacto para los 21 mil clientes de la Isla de la Juventud525 MWh/mes
En 1 millón de clientes en Cuba25 GWh/mes

 Tabla # 2

Reducción de demanda máxima que aporta como promedio un cliente en KW. 

No LaborablesLaborables
AntesDespués%AntesDespués%
Con calentador solar

Escenario 1

0,8240,6180,7500,7960,6830,858
Sin calentador solar.

Escenario 2

0,6930,6500,9390,7500,7400,987
% reducción

por calentador

Neto

(Escenario 1-2)

-0,189Neto

(Escenario 1-2)

-0,128
Impacto en la reducción de la máxima demanda por introducción de un calentador
No LaborablesLaborables
Kw. reducción

prom x cliente

Kw.0,1560,102
Impacto para 21 mil clientes de la Isla Juv.MW3,3 MW en el Pico2,1 MW en el Pico
Impacto para

1 millón de clientes en Cuba

MW156 MW en el Pico102 MW en el Pico

La demanda en la hora pico disminuye 18,9 % en días No Laborables y disminuye  12,8 % en los días Laborables.

La Isla tiene una demanda máxima de 19 MW y la capacidad de generación instalada es de 31,05 MW incluyendo 1,65 MW del parque eólico.

Se estima una disponibilidad promedio del 75%, que representa 23,2 MW disponibles, por tanto la relación demanda máxima y disponibilidad es hoy del 83 %. Instalando 21 mil calentadores solares, la relación anterior mejoraría al 74 %, o sea un incremento de la cobertura del 26 %.

VALORES DE TEMPERATURA DEL AGUA CALIENTE DISPONIBLE EN EL PUNTO DE ENTREGA A LA VIVIENDA 

DíaHorarioTemp.

Ambiente

DiferenciaTemp.

Salida de agua

Diferencia
21/01/08Amanecer21 ºC2 ºCºC4 ºC
Atardecer23 ºC47 ºC
43 22/01/08Amanecer24 ºC-1 ºC49 ºC5 ºC
Atardecer23 ºC54 ºC
23/01/08Amanecer24 ºC 57 ºC 


Como promedio la temperatura es de 50 ºC en las mañanas y de 55 ºC en las tardes, aunque puede alcanzar valores superiores como en el día 23 de enero, buen tiempo con cielo despejado y con buena iluminación solar.

El consumo  promedio diario por la introducción del calentador disminuye 1 kWh en Días No Laborables y de 0,5 kWh en los Días Laborables.

La demanda en la hora pico se reduce en 16,5% en días No Laborables y en un 13,0% para los días Laborables.

 CONCLUSIONES

Al finalizar la investigación se arriba a las conclusiones siguientes:

  1. Queda demostrado que la aplicación de esta tecnología , es una de las vías de ahorro energético de gran importancia y de descontaminación ambiental
  2. La utilización del calentador solar en las sietes instalaciones de la Isla de La Juventud reafirma la factibilidad de su generalización tanto. en sector residencial como empresarial.
  3. La aplicación de esta energía nos permite:
  • Formulación de estrategias energéticas coherentes.
  • Uso de los instrumentos y técnicas de planeación para un desarrollo sustentable.
  • Formular políticas energéticas.
  • Lograr ahorros significativos a la Economía Nacional

 RECOMENDACIONES.

  1. Generalizar la tecnología del uso de la energía solar térmica como fuente indispensable de ahorro a todo el país según lo permita las condiciones.
  2. La dirección del país debe estratégicamente, proyectar el uso masivo de esta energía en todos los sectores de la economía donde sea posible, por las incomparables prestaciones y como una importante vía de ahorro energético y así como su contribución al mejoramiento del medio ambiente por no desprender sustancias tóxicas en su generación.

BIBLIOGRAFÍA. 

  1. Brigham, Eugene F. y Gapenski, Louis C., 1994. Financial Management, Editorial The Dryden Press.
  2. Brigham, Eugene F., 1980. Fundamentals of financial management, The Dryden Press.
  3. Leiva Valdespino, Ing. Alexander. Energía, Medioambiente y sostenibilidad. Capitulo I   al
  4. Puerta Fernández, Dr.C. Juan Francisco. 2004. Economía y dirección energética. Curso  03 – 04. Capítulos I  al
  5. Urda Bordoy, Dr.C .Marcos O. Gestión de proyectos del CITMA. Capítulo

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Ruiz Ramos José. (2016, febrero 15). Gestión y economía de la Energía Solar Térmica. Recuperado de https://www.gestiopolis.com/gestion-economia-la-energia-solar-termica/
Ruiz Ramos, José. "Gestión y economía de la Energía Solar Térmica". GestioPolis. 15 febrero 2016. Web. <https://www.gestiopolis.com/gestion-economia-la-energia-solar-termica/>.
Ruiz Ramos, José. "Gestión y economía de la Energía Solar Térmica". GestioPolis. febrero 15, 2016. Consultado el 19 de Septiembre de 2018. https://www.gestiopolis.com/gestion-economia-la-energia-solar-termica/.
Ruiz Ramos, José. Gestión y economía de la Energía Solar Térmica [en línea]. <https://www.gestiopolis.com/gestion-economia-la-energia-solar-termica/> [Citado el 19 de Septiembre de 2018].
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