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Curso de energías alternativas



    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

    Monografias.com

    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.

    Monografias.com

    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.

    Monografias.com

    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.

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    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".

    Monografias.com

    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.

    Monografias.com

    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.

    Monografias.com

    Donde ?z es el ángulo zenital del sol. Este valor
    se obtiene de la siguiente ecuación:

    Monografias.com

    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:

    Monografias.com

    4.2. GEOMETRIA SOLAR

    Donde cos? se calcula de las ecuaciones de
    la geometría solar y que se muestran a
    continuación:

    Monografias.com

    FUENTE:
    http://www.monografias.com/trabajos16/el-urbanismo/el-urbanismo

    Donde ? + h = 90° y para una superficie orientada al
    norte:

    Monografias.com

    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.

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    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.

    Monografias.com

    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.

    Monografias.com

    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.

    Monografias.com

    Fuente: Elaboración
    propias

    5. ENERGÍA
    HIDRÁULICA

    5.1. EL CICLO DEL AGUA

    Monografias.com

    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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