1. INTRODUCCION
El presente texto ha sido elaborado para complementar el módulo "Energías Alternativas" que la Universidad Andina Simón Bolivar está implementando en el marco de la maestría "Gestión Estratégica de Energía – Hidrocarburos y Electricidad".
Este curso tiene como objeto brindar al candidato un marco general de las energías alternativas tanto en Bolivia como en otras partes del mundo. Se mostrarán e ilustrarán de manera global la producción principalmente de electricidad a partir de estas fuentes energéticas, así como su estructura e incidencia en el sector energético. De la misma forma, se brindarán los conceptos generales sobre la regulación energética para este tipo de fuentes y los mecanismos que hasta el presente se han implementado para incentivar su utilización.
El curso está orientado desarrollar el pensamiento lógico de los participantes para profundizar sus habilidades relacionadas con la evaluación y generación de ideas. Todo ello con el propósito que los participantes logren predecir, estimar y ponderar los resultados de dichas ideas en la solución de problemas sobre la provisión y consumo de la energía en general y de las energías alternativas en particular.
Las capacidades de los participantes a desarrollar a través del curso son:
· El razonamiento, estableciendo relaciones entre conceptos sobre las energías renovables y efectuar hacer deducciones lógicas.
· Las funciones ejecutivas, es decir, planificar y organizar conceptos e ideas sobre el desarrollo y `proyectos con energías alternativas.
· Conocimientos básicos sobre los aspectos técnicos, económicos y de regulación de las energías renovables.
Al tratarse de un curso especializado de 25 horas académicas dentro de una maestría, y tomando en cuenta que los participantes provienen de diferentes disciplinas, es importante que los contenidos que se viertan permitan a todos adquirir criterios y conceptos para generar nuevas ideas en el uso y aplicación de las fuentes energéticas alternativas.
El curso, en el lapso de una semana, abarcará todos los aspectos tecnológicos, financieros y regulatorios esenciales que están involucrados en las fuentes de energías alternativas.
Los objetivos específicos que se plantea el curso permitirá que los participantes cuenten con:
· Conocimientos sobre los principios físicos que rigen las energías alternativas.
· Criterios económicos para la promoción de las energías alternativas.
· Instrumentos para el diseño y evaluación de políticas y planes que promuevan las energías alternativas en Bolivia.
2. LAS ENERGIAS ALTERNATIVAS EN EL MUNDO, AMERICA LATINA Y BOLIVIA
FUENTE: Javier, Francisco et al. 2011. Las energías renovables en el ámbito internacional. Universidad
Complutense de Madrid.
En el anterior cuadro se muestra para el año 2009 la participación de las energías alternativas o renovables en la oferta de energía primaria en diferentes partes del mundo.
A nivel mundial, las energías renovables participan con el 13,1% en la oferta de energía primaria total, de los cuales el 75,9% es biomasa, el 17,7% hidroenergía y 6,4% el resto de renovables (solar, eólica, etc.).
Es importante remarcar que los más altos niveles de consumo de energía renovable se produzcan, bajo la forma de biomasa, en los continentes de Africa, América Latina, Asia y China. Uno de los principales usos de la biomasa en estos continentes es en la cocción de alimentos y en el calentamiento del agua.
En cambio, en los países como el Medio Oriente, la OCDE, la participación de la biomasa es mucho menor, haciendo énfasis en otras fuentes renovables.
FUENTE: INTERNATIONAL ENERGY AGENCY-2012
En la figura anterior se muestra el consumo de energía de origen fósil1 (hidrocarburos) y no fósil (biomasa, hidroelectricidad, nuclear) en los países de América Latina.
Para muchos de los países de América Latina, la participación de las energías fósiles es superior al 50% del total del consumo. Las energías no fósiles tienen aún una participación importante en Haití, Guatemala, Paraguay, Costa Rica y Nicaragua. Inclusive en Bolivia, el peso las fuentes no fósiles alcanza a alrededor del 25%.
En la siguiente figura se muestra las importaciones y exportaciones de energía para los países de América Latina. Existe un grupo que es un importador de energía y otro exportador neto.
FUENTE: INTERNATIONAL ENERGY AGENCY-2012
En todo este escenario para América Latina, las fuentes fósiles juegan un rol muy importante y no así las fuentes no fósiles, entre ellas las alternativas.
Por lo general, las energías alternativas han sido utilizadas de forma local como la forma de calor o energía mecánica (hidráulica para molinos de granos) y últimamente transformándola en electricidad.
En el caso boliviano, la participación de las fuentes alternativas (hidroelectricidad, biomasa y energía eólica) en la capacidad instalada de generación de electricidad alcanza al 32%. La energía alternativa predominante es la hidroelectricidad, con una participación al 2013, sobre el total instalado, del 30,1% mientras que la biomasa y la energía eólica, juntas no superan el 2% de la capacidad instalada.
FUENTE: AE. ANUARIO ESTADISTICO 2013 (en preparación)
3. LAS ENERGIAS ALTERNATIVAS
Existen diversas definiciones de las energías alternativas2, sin embargo, la más común está referida a que la fuente es prácticamente inagotable (solar, geotermia), o que hace parte de un ciclo natural (eólica, hidráulica, maremotriz, biomasa) que permanentemente se restablece, si existen en la naturaleza condiciones de equilibrio que permitan la restitución de dichos ciclos. En todos los casos, la cantidad de energía que es aprovechada prácticamente no modifica la reserva existente. A ello se suma otra cualidad, el balance de emisiones de gases de efecto invernadero como el CO2 es cero, (o no emiten CO2 y si lo hacen, éste es parte del proceso de absorción por parte de naturaleza).
Por tanto, sus principales características se definen por la relación que existe entre energía aprovechada (extracción) y la reserva existente la cual prácticamente no se modifica, y por su impacto casi nulo sobre el calentamiento global de la atmósfera.
Sin embargo la hidroelectricidad es un caso especial. Bajo ciertas circunstancias, esta fuente energética puede tener impactos sobre el medio ambiente e inclusive provocar emisiones de CH4 (metano) cuando las aguas son represadas y sumergen grandes cantidades de biomasa. Hoy en la actualidad, existen entidades que pueden certificar (nota de referencia) si una central hidroeléctrica puede ser considerada como fuente de energía renovable si cumple algunos criterios que permitan decidir su impacto en el medio ambiente y principalmente su impacto en el calentamiento global.
De forma general, las fuentes renovables como la solar, eólica, biomasa e hidráulica tienen su origen en el sol, en la estructura de la atmósfera y en los ciclos naturales que se han establecido sobre la tierra para mantener la vida. La energía geotérmica tiene su origen en la formación del planeta, en la presencia de calor proveniente de su centro y en el calor que se forma por efecto del choque de las placas continentales.
Mientras estas condiciones se mantengan en equilibrio, la posibilidad de utilizar estas fuentes energéticas será bastante alta, sin embargo, si se provocan desequilibrios en los ciclos naturales, los cuales provocarán más sequías e inundaciones, fuertes vientos como consecuencia de acentuar el efecto invernadero, esta posibilidad también será cada vez menor.
3.1. LEYES DE CONSERVACION DE LA ENERGIA
Las energías renovables, así como cualquier fuente energética, están sometidas a las leyes de la Termodinámica. Es decir que las fuentes renovables no se crean ni desaparecen, sino que se transforman, pero además de transformarse, el balance total es nulo o cero (Primera Ley de la Termodinámica).
Esto se expresa de la siguiente forma:
Fuente Renovable = Electricidad + Calor (1)
Por otra parte, toda transformación cíclica de una fuente energética en energía útil (trabajo) debe involucrar una pérdida de energía, de forma que dicha transformación nunca tiene una eficiencia del 100% (Segunda Ley de la Termodinámica).
La ecuación (1) puede ser escrita de la siguiente forma:
Electricidad = Fuente Renovable – Calor (2)
A su vez, esta ecuación puede ser generalizada de la siguiente forma:
Potencia efectiva = Fuente Renovable – Calor (3)
En la ecuación (3) se puede observar que la Potencia Efectiva tiene un valor neto positivo se las pérdidas por calor son menores que el valor de la Fuente Renovable. Por lo tanto, el calor debe ser una porción o porcentaje de la Fuente Renovable, así como también la
Energía Útil. Este hecho lleva a escribir la ecuación (3) de la siguiente forma:
Potencia efectiva = COP * Fuente Renovable (4)
Donde COP expresa una proporción entre la Potencia Efectiva o también denominada Energía Útil y la Fuente Renovable. COP representa el Coeficiente de Operación (o en inglés Coeficient of Performance) de cualquier equipo o tecnología que convierte una fuente renovable en Potencias efectiva o Energía Útil (electricidad, energía cinética, flujos, etc.). El valor de COP es un dato que puede ser extraído de los ensayos o pruebas que se realizan a los equipos que aprovechan las fuentes renovables y que en muchos casos están ya estandarizados. Por lo general, este coeficiente también es conocido como rendimiento de los equipos que transforman la energía alternativa en electricidad.
Por ejemplo, para obtener electricidad mediante un módulo fotovoltaico que capta la radiación solar, el valor de COP oscila entre 11% a 16%. En una central hidroeléctrica, este valor puede alcanzar hasta el 80% y en una central térmica a base de biomasa, el valor típico de COP oscila entre el 20 al 25%.
3.2. EXPRESIONES PARA "FUENTE ENERGÉTICA RENOVABLE"
En el cuadro siguiente se muestran algunas de las principales expresiones de "Fuente Energética".
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA.
4. RADIACIÓN SOLAR
La fuente de la radiación solar proviene de una reacción nuclear que se produce en el centro del Sol, donde 4 átomos de Hidrógeno fusionan (se unen) bajo la fuerza que ejerce la gravedad para producir dos átomos de Helio y desprender grandes cantidades de energía, como efecto de la conversión de masa en energía (E = mc2). El Sol actúa como un enorme reactor nuclear de fusión siendo el Hidrógeno el combustible que genera la radiación solar que llega a la Tierra. La cantidad de Hidrógeno existente en el Sol es suficiente para que esta estrella continúe produciendo energía durante los siguientes 5.000 millones de años de forma estable.
La radiación solar está compuesta por ondas electromagnéticas o fotones provenientes del Sol el cual es considerado como un "cuerpo negro" cuya superficie se encuentra a aproximadamente 5.000 °K. La radiación solar incidente (perpendicular) en la parte superior de la atmósfera es aproximadamente 1.360 W/m2 (constante solar). La composición del aire, las partículas suspendidas, el vapor de agua y la presencia de otros gases (He, Ar, CO2, CH4) en la atmósfera provocan una disminución de este valor hasta un 40%, alcanzando la superficie terrestre un valor que oscila entre 600 a 800 W/m2 según la latitud y altitud del lugar.
La radiación solar incidente, a lo largo del día, sobre la superficie de la Tierra depende de la latitud y la época del año. Ello se debe al hecho que el eje de la Tierra se encuentra inclinado 24,5° del plano ecuatorial y del movimiento de translación de la Tierra alrededor del sol.
4.1. RADIACION GLOBAL, DIRECTA Y DIFUSA
Si se toma un punto geográfico de la Tierra como un punto de referencia, es posible traducir en ecuaciones geométricas la posición del sol para cada instante a lo largo de un año. En el Anexo 1 se muestran varios sitios web que ilustran esta situación.
Los componentes de la radiación solar son dos. La radiación solar directa y la radiación solar difusa, la suma de ambas producen la radiación solar global.
Radiación Global = Radiación directa + Radiación difusa.
La radiación directa es la que proviene directamente del disco solar (y produce sombra), en cambio la radiación difusa proviene de todas partes del cielo y de todas las direcciones. En un nublado, la radiación difusa es la que predomina.
La radiación solar, sobre todo la directa depende de la hora y del día a lo largo del año, es decir, de la posición del sol en un determinado momento. Por otra parte, la radiación solar que es aprovechable es la incide de forma perpendicular a cualquier superficie. Un rayo de sol que incide de forma oblicua cualquier superficie debe ser descompuesto en dos componentes, uno perpendicular y otro tangencial a dicha superficie. La componente tangencial no tiene ningún efecto sobre la superficie, en cambio, la componente perpendicular puede ser absorbida dependiendo de las características de la superficie.
FUENTE: ELABORACION PROPIA
Los datos que se disponen para evaluar el potencial solar son las mediciones de la radiación solar difusa Id sobre una superficie horizontal y la radiación solar global I sobre la superficie horizontal.
Donde ?z es el ángulo zenital del sol. Este valor se obtiene de la siguiente ecuación:
Lo que se quiere saber es la cantidad de radiación solar directa perpendicular a cualquier superficie inclinada S grados sobre la superficie horizontal. La siguiente ecuación permite calcular dicha cantidad:
4.2. GEOMETRIA SOLAR
Donde cos? se calcula de las ecuaciones de la geometría solar y que se muestran a continuación:
FUENTE: http://www.monografias.com/trabajos16/el-urbanismo/el-urbanismo
Donde ? + h = 90° y para una superficie orientada al norte:
4.3. LA RADIACION SOLAR EN BOLIVIA
La radiación solar en Bolivia tiene características particulares debido a la diversidad de ecosistemas existentes en el territorio nacional.
Una primera constatación del comportamiento de la radiación solar es su variación con la altitud. En las regiones del altiplano, la radiación solar promedio es superior a las regiones de valle y trópico. Ello se debe principalmente a la poca presencia de vapor de agua en las zonas altas, como por ejemplo, el salar de Uyuni. El vapor de agua es un "filtro" que absorbe parte de la radiación solar.
Por otra parte, la presencia de la cordillera de Los Andes determina el perfil de la radiación solar a nivel global. A lo largo de la cordillera, la radiación solar, principalmente en el flanco oeste, sobre la cuenca cerrada de los lagos Titicaca, Poopó y Salar de Uyuni alcanza valores superiores a los 6 a 7 kWh/m2.día. Existen regiones de alta pluviosidad como Todos Santos, el Sillar o La Siberia donde la radiación solar promedio anual se reduce bastante, hasta valores de 2,5 kWh/m2.día.
Otra forma de medir la radiación solar es por el número de horas-sol al día. Por lo general, en la zona andina, el número de horas-sol al año alcanza 2.300 a 2.400 horas. En las zonas tropicales este valor alcanza a 1.600 a 1.800 horas3.
Fuente: Elaboración propias
En la figura anterior se muestra el comportamiento de la radiación solar para la ciudad de La Paz. Se puede observar que existe una variación estacional entre verano e invierno en lo que corresponde tanto a la radiación global cuyo promedio es 6 kWh/m2.día como a la radiación difusa cuyo promedio alcanza a 1,5 kWh/m2.dia. La radiación directa permanece casi constante entre 4 y 5 kWh/m2.día.
Las variaciones diarias que presenta la radiación solar en La Paz se deben principalmente a la presencia de nubosidad por una parte y en los últimos años, debido a la presencia de partículas contaminantes, polvo y CO2.
Fuente: Elaboración propias
En la figura anterior se muestra la radiación solar en la ciudad de Potosí. Los valores promedio se aproximan a los de la radiación solar en La Paz, sin embargo, el comportamiento de la radiación solar directa es mucho más acentuado. Ello se debe principalmente al alto grado de claridad de la atmósfera en dicha ciudad.
Existe una paradoja aparente en el comportamiento de la radiación solar, sobre todo en la región del Altiplano boliviano. En los meses de diciembre, enero y febrero, se presenta el ciclo lluvioso provocado por el hecho que estas latitudes se colocan perpendiculares a los rayos solares alrededor de dichos meses, y por lo tanto la abundancia de nubosidad es bastante alta. Esto debería reducir la radiación solar incidente. Por otro lado, durante el invierno, que corresponde a los meses de mayo, junio y julio se producen los niveles más bajos de pluviosidad, reduciéndose la cantidad de nubosidad y por lo tanto, este aspecto debiera permitir un aumento de la radiación solar.
Sin embargo, se observa que el comportamiento de la radiación global no presenta ese comportamiento. En los meses de verano, la radiación solar global es más alta que la radiación solar global de los meses de invierno. Esto se debe a que la radiación solar global a nivel del suelo sigue exactamente el mismo comportamiento de la radiación extraterrestre, sin que los fenómenos meteorológicos afecten o distorsiones sustancialmente este comportamiento.
Fuente: Elaboración propias
En las poblaciones de San Borja y Villa Tunari, ambas situadas del lado oriental de la cordillera, la radiación solar global alcanza en promedio los 4 kWh/m2.dia y se puede observar que la radiación directa y la difusa prácticamente alcanzan a tener el mismo valor, alrededor de 2 kWh/m2.día. Esto significa que la atmósfera contiene un alto grado de vapor de agua el cual reduce la incidencia de la radiación solar. Este aspecto se puede constatar en la siguiente figura.
Fuente: Elaboración propias
5. ENERGÍA HIDRÁULICA
5.1. EL CICLO DEL AGUA
FUENTE: www.imagui.com
La energía hidráulica tiene su origen en el ciclo natural del agua, el cual puede ser descompuesto en cinco fases:
1ra. fase: Evaporación de Líquido a Gas, el sol calienta el agua del mar, de los ríos y de los lagos. Al calentarse, parte de esta agua se evapora y forma: vapor de agua.
2da. fase: Condensación de Gas-Líquido, cuando llega a una altura determinada de la atmósfera el vapor de agua se transforma en pequeñas gotas de agua que suben en el aire y forman las nubes.
3ra. fase: Precipitación, cuando las nubes llegan a las zonas más frías, las gotas de agua se agrupan. Entonces caen en forma de lluvia.
4ta. fase: Infiltración, cuando los torrentes y los ríos recogen al agua de la lluvia o del deshielo de la nieve y la transportan finalmente al mar o a los lagos.
5 fase: Escorrentía superficial, el suelo absorbe parte de las aguas caídas y forma las aguas subterráneas que avanzan hasta el océano.
De forma general, el ciclo del agua corresponde a un balance hídrico dado por la siguiente expresión:
Lluvia – Escorrentía – Evaporación – Infiltración= Aalmacenamiento/At (10)
Esta ecuación es aplicada a una superficie determinada, por lo general, una cuenca o valle sobre la cual se producen los fenómenos de lluvia, escorrentía, infiltración y evaporación. Si en esta cuenca además se coloca una represa, entonces se puede almacenar agua siempre y cuando la lluvia sea mayor que los otros factores que intervienen en el balance de energía.
5.2. CUENCAS PARA EL APROVECHAMIENTO HIDRICO
Por lo general, estos conceptos se aplican a una cuenca hidrográfica conformada como una unidad natural definida por una divisoria de aguas en un territorio en particular. Cuenca es el territorio que aporta agua de las precipitaciones al río que lo contiene y forma un curso principal del agua que desemboca en un lago o en el mar.
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