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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ORIGINAL.
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