1.3.2-UT9 2014-15

UNIDAD DIDÁCTICA 9

USO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES PARA LA EFICIENCIA Y EL AHORRO DE ENERGÍA

MÁSTER UNIVERSITARIO DE GESTIÓN Y DISEÑO

DE PROYECTOS E INSTALACIONES CURSO 2014-2015

ASIGNATURA EFICIENCIA Y AHORRO DE ENERGÍA

UNIDAD 9. USO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES

ÍNDICE Página

OBJETIVOS .................................................................................................................................. 3 INTRODUCCIÓN........................................................................................................................... 5 9.1. ENERGÍA SOLAR ........................................................................................................ 7 9.1.1. LA RADIACIÓN SOLAR ...................................................................................... 7 9.1.2. LA ENERGÍA SOLAR Y SU UTILIZACIÓN ......................................................... 9 9.1.3. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA ................................ 10 9.1.4. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA ................................................................ 17 9.2. ENERGÍA EÓLICA DE PEQUEÑA POTENCIA. ....................................................... 21 9.3. ENERGÍA DE LA BIOMASA ...................................................................................... 23 9.3.1. CONCEPTOS DE BIOMASA Y BIOCOMBUSTIBLE ........................................ 23 9.3.2. APLICACIONES ENERGÉTICAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES ................... 24 9.3.3. COMBUSTIÓN DIRECTA: CALDERAS DE BIOMASA .................................... 24 9.3.3.1. Combustible ......................................................................................... 27 9.3.4. SILOS ................................................................................................................ 30 9.3.5. DIMENSIONAMIENTO DE LA CALDERA ........................................................ 32 9.4. GEOTERMIA DE BAJA ENTALPÍA .......................................................................... 35 9.4.1. USOS DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA ........................................................... 36 9.4.1.1. Sector industrial ................................................................................... 37 9.4.1.2. Agricultura ............................................................................................ 37 9.4.1.3. Sector residencial y servicios .............................................................. 37 9.4.1.4. Secado de pavimentos ........................................................................ 38 9.4.2. LA ENERGÍA GEOTÉRMICA EN ESPAÑA ...................................................... 39 9.4.3. TECNOLOGÍAS PARA APROVECHAMIENTOS GEOTÉRMICOS DE BAJA Y MUY BAJA TEMPERATURA .......................................................................................... 40 9.4.3.1. Bomba de calor geotérmica ................................................................. 40 9.4.3.2. Sistemas de almacenamiento subterráneo de energía térmica (UTES) 46 RESUMEN................................................................................................................................... 47 BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................... 49

MÁSTER EN GESTIÓN Y DISEÑO DE PROYECTOS E INSTALACIONES

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OBJETIVOS  Conocer los elementos fundamentales que caracterizan las tecnologías aplicables para el aprovechamiento de las fuentes de energía renovables de empleo más frecuente.  Distinguir los límites del potencial de uso y de las barreras de utilización de las diferentes fuentes energéticas renovables.  Analizar las situaciones en las que energías renovables pueden sustituir de forma viable técnica y económicamente a las energías convencionales.  Conocer las normas fundamentales que fijan las condiciones de aplicación de las diferentes fuentes de energía renovables.


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INTRODUCCIÓN La evolución de los precios del petróleo y la distribución geográfica de las reservas de energía han condicionado las opciones energéticas de los países desarrollados desde hace más de tres décadas. Por otro lado, de manera más reciente, las preocupaciones ambientales, el intenso proceso de crecimiento de los países emergentes, con el consiguiente efecto inflacionario sobre las fuentes de energía primaria, y la liberalización del sector de la energía en Europa, han caracterizado el nuevo marco de referencia para la instrumentación de la política energética en España. De esta manera, la Unión Europea ha remarcado la necesidad de un avance coordinado en la liberalización de los mercados, la garantía del suministro, el desarrollo de las infraestructuras de interconexión y la reducción de emisiones contaminantes. Por su parte, la política energética de España ha avanzado a lo largo de estos ejes comunes de manera armonizada con los países europeos y al mismo tiempo se ha singularizado para poder dar respuesta a los principales retos que han caracterizado tradicionalmente el sector energético español, y que de manera resumida son los siguientes:  Un consumo energético por unidad de producto interior bruto más elevado. Para corregir esta tendencia, durante los últimos años se han realizado importantes esfuerzos en materia de ahorro y eficiencia energética, que han permitido iniciar el camino hacia la convergencia con los valores medios europeos en intensidad energética, camino que es necesario recorrer con mayor intensidad en los próximos años.  Elevada dependencia energética. La escasa presencia de yacimientos de energía primaria fósil ha supuesto históricamente una elevada tasa de dependencia energética en España.  Elevadas emisiones de gases de efecto invernadero, explicadas fundamentalmente por el fuerte crecimiento de la generación eléctrica y de la demanda de transporte durante las últimas décadas. Por lo tanto, a la luz de las perspectivas inciertas en el sector energético a nivel mundial y al papel fundamental que juega la energía en el desarrollo de las sociedades modernas, la política energética se desarrolla alrededor de tres ejes fundamentales para dar respuesta a los retos anteriormente mencionados:  La seguridad de suministro.  La preservación del medio ambiente.  La competitividad económica. Para poder cumplir con estos requerimientos de la política energética, España y la mayoría de los países desarrollados ponen en funcionamiento dos estrategias fundamentales: la promoción del ahorro y la mejora de la eficiencia energética, por un lado, y el fomento de las energías renovables, por otro. Debido a que las energías renovables son fuentes energéticas autóctonas, la introducción de las mismas mejora la seguridad de suministro al reducir las importaciones de petróleo y sus derivados y también de gas natural, recursos energéticos de los que España no dispone. Por otro lado, en lo que respecta al segundo eje de la política energética, la preservación del medio ambiente, las energías renovables tienen unos impactos ambientales mucho más reducidos que las energías fósiles o la nuclear, especialmente en lo que respecta a la generación de gases efecto invernadero y la generación de residuos radioactivos.


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EFICIENCIA Y AHORRO DE ENERGÍA

Las energías renovables también van a contribuir al tercer eje de la política energética, al mejorar la competitividad de nuestra economía, según las distintas tecnologías renovables vayan consiguiendo esta posición competitiva, además de que las energías renovables serán un sector productivo más, generador de riqueza y de empleo. Por lo tanto, teniendo en cuenta esto, la influencia de las energías renovables sobre la competitividad de nuestra economía es y será mucho más positiva. Por último, hay que mencionar, que la introducción de las energías renovables en nuestro país debe descansar sobre la base de una optimización de la demanda energética. De esta manera, si se consigue reducir la demanda de energía, usando todas las fuentes energéticas a nuestra disposición, mejoraremos nuestra seguridad de suministro, reduciremos los impactos ambientales del sector energético, y mejoraremos nuestra competitividad económica al reducir uno de los principales factores de costes de nuestra economía.

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MASTER EN GESTIÓN Y DISEÑO EN PROYECTOS E INSTALACIONES


9.1.

ENERGÍA SOLAR

9.1.1. LA RADIACIÓN SOLAR La fuente energética por excelencia que ha dado origen a todas las demás, incluyendo a los combustibles fósiles, es sin duda, la radiación solar. Los rayos solares llegan a la tierra en forma de radiación electromagnética con longitudes de onda entre 0,2 y 3 µm, que se denomina radiación solar. Al llegar al exterior de la atmósfera, la radiación solar tiene una potencia aproximada de 1367 W/m2 valor que recibe el nombre de Constante solar. Sin embargo, no toda la radiación que llega hasta la Tierra, es capaz de sobrepasar las capas altas de la atmósfera. Debido a la presencia de diferentes gases en la atmósfera, una tercera parte de la energía solar interceptada por la atmósfera terrestre, vuelve al espacio exterior, mientras que las dos terceras partes restantes llegan a la superficie terrestre. Esto es debido a que los gases presentes en la atmósfera (CO2, metano, ozono y vapor de agua) actúan como una barrera protectora. A la pérdida de energía producida en las partes altas de la atmósfera, hay que añadir otras variables que influyen en la cantidad de radiación solar que llega hasta un punto determinado del planeta. Entre estas variables destaca la declinación del sol, siendo diferente la intensidad de radiación cuando los rayos solares están perpendiculares a la superficie irradiada que cuando el ángulo de incidencia sea más oblicuo. Por otro lado, para cuantificar la cantidad de energía que se puede aprovechar en un sistema o punto concreto, habrá que tener en cuenta también otras variables como son la hora del día, la estación del año y, muy especialmente, las condiciones atmosféricas. De esta forma, cuando hay nubes se refleja y absorbe más radiación que cuando no las hay, por lo que disminuye la cantidad de radiación incidente sobre la superficie terrestre. Según lo anterior, la radiación solar llega a la superficie terrestre en dos formas bien diferenciadas:  Componente directa: Es la recibida desde el Sol sin que se desvíe en su paso por la atmósfera. La componente directa es muy superior a la difusa, llegando a alcanzar valores de 10 kWh/m2 al día en verano.  Componente difusa: Es la que sufre cambios en su dirección principalmente debidos a la reflexión y difusión en la atmósfera. Esta componente, tiene valores inferiores a 1 kWh/m2 al día en días claros, mientras que en días nubosos puede tomar valores del orden de 2,5 kWh/m2 al día. En el caso de España, se reúnen una serie de requisitos que hacen que sea uno de los países europeos con mayor capacidad para aprovechar la energía solar. Situada entre los 36º y los 44º de latitud norte, nuestro país recibe una intensidad de radiación solar muy superior a la de otras regiones del planeta. Por otro lado, España tiene una ventaja con respecto a otros países de Europa (Figura 9.1), por la gran cantidad de días sin nubes que disfruta al año. Por su parte, sobre cada metro cuadrado de suelo inciden al año una media de 1500 kWh de energía, cifra similar a la de muchas regiones de América Central y del Sur.


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Figura 9.1. Recurso solar en Europa (IDAE, 2008)

Por otro lado, y para obtener información práctica a la hora de estudiar y valorar la radiación solar dentro de España, el Código Técnico de la Edificación (CTE) realiza una división del territorio español, en cinco zonas climáticas en función de la radiación solar global media diaria anual incidente sobre superficie horizontal (H, Tabla 9.1 y Figura 9.2), desde las zonas de menor valor de H (zona I) hasta la de mayor (zona V). 2

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ZONA CLIMÁTICA

H (MJ/m )

H (kWh/m )

I

H < 13,7

H < 3,8

II

13,7 ≤ H < 15,1

3,8 ≤ H < 4,2

III

15,1 ≤ H < 16,6

4,2 ≤ H < 4,6

IV

16,6 ≤ H < 18

4,6 ≤ H < 5

V

H ≥ 18

H≥5

Tabla 9.1. Zonas climáticas de España en función de la radiación solar global media diaria anual incidente sobre superficie horizontal (H)

Figura 9.2. Mapa de irradiación media diaria anual en España, con división del territorio nacional en diferentes zonas climáticas establecidas por el Código Técnico de la Edificación

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9.1.2. LA ENERGÍA SOLAR Y SU UTILIZACIÓN La actividad humana en general y más particularmente en su aspecto energético, está presidida por la actuación pasada o presente del sol. El aprovechamiento energético del sol, directo (fotosíntesis) e indirecto (aerogeneradores, combustión de biomasa, etc.), de forma natural o artificial, es una constante en nuestra estructura agrícola, urbana e industrial. La energía solar como fuente energética, presenta como características principales las siguientes:  Elevada calidad energética.  Pequeño o nulo impacto ecológico.  Inagotable a escala humana. Frente a ello, la energía solar también presenta ciertos problemas:  Producción semialeatoria, estando sometida a ciclos día-noche y estaciones invierno-verano.  Llega a la tierra de forma dispersa.  No se puede almacenar de forma directa, siendo necesario transformarla. Cuando nos referimos a instalaciones de energía solar, hay que especificar la tecnología que se utiliza en su aprovechamiento, debido a las diversas maneras de hacerlo. Las más importantes son (Tabla 9.2):  Instalaciones de energía solar térmica de baja temperatura (EST-BT), empleadas en la producción de aguas caliente sanitaria (ACS) y calefacción en viviendas, oficinas o locales comerciales, agua caliente para procesos industriales, piscinas, etc.  Instalaciones de energía solar térmica de media (EST-MT) y alta temperatura (EST-AT) o sistemas termosolares de concentración. Las aplicaciones más usuales en las instalaciones de media temperatura que se han realizado hasta la fecha, han sido la producción de vapor para procesos industriales, y la generación de energía eléctrica en centrales de 30 a 2.000 kW. También existen ejemplos de otras aplicaciones, tales como, la desalinización o la refrigeración mediante energía solar.  Instalaciones solares fotovoltaicas (ESF), que se encargan de producir electricidad de forma directa mediante el aprovechamiento de la radiación solar por medio de las llamadas células solares. La conversión de la energía de la radiación solar en energía eléctrica es un fenómeno físico conocido como “efecto fotovoltaico”. Esta electricidad se puede vender a la red eléctrica (caso de instalaciones conectadas a red) o consumir directamente en aquellas zonas donde no exista red eléctrica (instalaciones aisladas de red), como puede ser el caso de bombeo de agua, señalizaciones, cercados eléctricos, etc. A continuación, se van a analizar en detalle la energía solar térmica de baja temperatura (EST-BT) y la energía solar fotovoltaica (ESF), dado que estas tecnologías son las que normalmente se pueden aplicar en pequeñas y medianas explotaciones para autoconsumo.


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TIPO DE ENERGÍA

TIPO DE INSTALACIÓN

Calor

Calentamiento

EQUIPO PRINCIPAL Captador plano o tubo de vacío

EST-BT Frío

Electricidad

Electricidad

Captador plano o tubo de Refrigeración vacío y equipo de absorción

ESF

EST-MT y EST-AT

APLICACIONES ACS Calefacción, piscinas Secado de alimentos Refrigeración de espacios

Célula fotovoltaica

- Instalaciones conectadas a red: Venta de energía a la red - Instalaciones aisladas de red: Bombeo de agua, señalización, electrificación rural, etc.

Concentrador de la radiación con un ciclo de potencia: Cilindro-parabólicos Receptor central Discos parabólicos

Instalaciones conectadas a la red: venta de energía a la red

Tabla 9.2. Formas de aprovechamiento energético de la radiación solar

9.1.3. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA Una instalación solar térmica tiene como objetivo la producción y almacenamiento de agua caliente a partir de la radiación solar. El agua caliente producida se puede utilizar para consumo directo, como es calefacción, agua caliente sanitaria o para procesos industriales, limpieza de equipos, para climatización de piscinas, entre otros usos, o como entrada a una máquina de absorción para producir frío y utilizarse en refrigeración. Hay que decir que su uso en refrigeración es aún muy limitado, siendo mayoritario el consumo de agua caliente. El principio elemental en el que se fundamenta cualquier instalación solar térmica es el de aprovechar la energía del Sol mediante un conjunto de captadores, calentando el fluido que circula por su interior (agua con anticongelante) y transfiriéndola a un sistema de almacenamiento (depósito acumulador), que abastece el consumo cuando es necesario. Así, la posibilidad de captar la energía del Sol desde el lugar que se necesita, junto con la capacidad de poder almacenarla durante el tiempo suficiente para disponer de ella cuando haga falta, es lo que hace que esta tecnología sea tan ampliamente aceptada en muchas partes del mundo. En la actualidad, una instalación de energía solar cubre del 50 al 80% del total de la demanda de agua caliente sanitaria de una vivienda, aportando el resto con un sistema de apoyo energético. La razón por la que las instalaciones solares no se diseñan para cubrir el 100% del consumo es porque, si así se diseñase, sería necesario instalar grandes sistemas de acumulación de energía a largo plazo que harían económicamente inviable este tipo de soluciones. Aunque la expansión de la EST-BT es aún baja en Europa y en España, en los últimos años se ha venido observando un rápido crecimiento (entre el 25% y 30% de crecimiento anual de la superficie instalada), debido a la puesta en marcha de políticas de difusión, como es el caso de la obligatoriedad en España de la contribución solar mínima para la generación de agua caliente sanitaria, establecida en el CTE.

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Efectivamente, en la actualidad, y para cualquier edificación de nueva construcción o rehabilitación de edificaciones ya existentes, con un consumo de ACS superior a 50 l/día, el CTE obliga a que una parte del ACS generado tenga un origen solar térmico. Una instalación EST-BT, ha de incluir una serie de elementos indispensables para el correcto funcionamiento y control de la instalación. Algunos de estos elementos son obligatorios, por tratarse de elementos de seguridad, y otros tienen como finalidad la mejora del rendimiento de la instalación y del mantenimiento. Los dispositivos que participan en una instalación EST-BT son: Captadores solares, acumuladores, intercambiadores de calor, bombas de circulación, sistema auxiliar de generación térmica y elementos complementarios de la instalación. Los captadores solares, son los dispositivos encargados de realizar la conversión de la radiación solar en energía térmica, empleada ésta en calentar el fluido caloportador que circula por ellos (Figura 9.3 y Figura 9.4).

Figura 9.3. Captador solar plano (izquierda) y captador de tubos de vacío (derecha)

Figura 9.4. Esquema con las partes de una instalación solar térmica de baja temperatura (EOI, 2008)

Existen diferentes tipos de captadores solares térmicos, con el objetivo de incrementar la cantidad de energía absorbida y disminuir las pérdidas. Aunque los más comunes son los captadores planos (Figura 9.3), que utilizan como fluido caloportador el agua, en la actualidad existen otros modelos como son los captadores planos de vacío o los captadores de tubos de vacío, que consiguen temperaturas más elevadas de funcionamiento, y los captadores solares de aire, los cuales emplean como fluido caloportador el aire de climatización y se utilizan fundamentalmente en los climas fríos para calentar recintos. A continuación se detalla la estructura de un captador solar plano (Figura 9.5):


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 Cubierta protectora: Sobre ella inciden los rayos de sol, provoca el efecto invernadero, reduce las pérdidas y asegura la estanqueidad del captador en la unión con la carcasa y las juntas. La cubierta suele ser de vidrio templado (caso más frecuente) o plástico (polimetacrilato o policarbonato) transparente.  Placa absorbente o absorbedor: Se cobre o acero inoxidable, su misión es recibir la radiación solar, transformarla en calor y transmitirla al fluido caloportador (normalmente agua con anticongelante). Existen múltiples modelos, pero los más típicos son una placa metálica soldada sobre una parrilla de tubos o dos placas metálicas separadas unos milímetros, entre las cuales circula el fluido caloportador. La cara del absorbedor expuesta al sol, normalmente tiene un revestimiento o tratamiento especial (óxidos de titanio o cromo negro sobre níquel) para absorber mejor los rayos solares (comportamiento como cuerpo negro).  Aislamiento térmico (lateral y posterior): Para disminuir las fugas de calor del interior del captador. Se le debe exigir una serie de características, como son resistencia a temperaturas de hasta 150ºC, no desprender vapores bajo la acción del calor y no perder sus cualidades aislantes en caso de humedecerse. Suelen emplearse poliuretano, fibra de vidrio y poliestireno expandido.  Carcasa: Construida de aluminio anodizado, es el elemento que contiene y soporta todos los elementos anteriores, protegiéndolos de la intemperie. Debe resistir las variaciones de temperatura, la corrosión y la degradación química.

Figura 9.5. Partes de un captador solar plano

 La eficiencia de los captadores solares viene definida por su curva de rendimiento (Figura 9.6), la cual permite determinar la cantidad de energía térmica que podrá ser aprovechada por el captador en cada situación.

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100

RENDIMIENTO (%)

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

T* Figura 9.6. Curva de rendimiento de un captador solar plano

 La expresión de la recta de rendimiento de un captador solar plano es la siguiente:

  a - b·T*  a - b

Te  Ta I

Expresión 9.1. Curva de rendimiento del captador solar plano

Donde:  η: Rendimiento (%).  a: Parámetro característico del captador (coeficiente de eficiencia óptica). Valores mayores suponen una mayor ganancia solar del captador.  b: Parámetro característico del captador (coeficiente global de pérdidas). Valores inferiores suponen una menor pérdida de la energía captada.  T*: Conocido como temperatura adimensional, es un parámetro variable que representa las condiciones ambientales y de trabajo del captador. Es directamente proporcional a la diferencia entre la temperatura de entrada del fluido caloportador al captador (Te, ºC) y la temperatura ambiente (Ta, ºC), e inversamente proporcional al valor de la radiación solar incidente (W/m2). Normalmente las necesidades de energía térmica de las instalaciones no coinciden en el tiempo con la captación del recurso solar, por lo que es necesario disponer de algún elemento que permita almacenar esta energía térmica, para así hacer frente a la demanda en momentos de poca o nula radiación solar. Para ello, es necesario el empleo de un depósito acumulador aislado en el que se almacena la energía térmica en forma de agua caliente (Figura 9.7). Los depósitos acumuladores que suelen dar mejores resultados son aquellos con formas cilíndricas, siempre dispuestos verticalmente. La mayor eficiencia de estos depósitos se debe al fenómeno de estratificación del agua, por el cual el agua con mayor temperatura se sitúa en la parte superior del tanque, por encima del agua fría, la cual presenta una mayor densidad. Por otro lado, a la hora de seleccionar un


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depósito acumulador, hay que tener en cuenta su tamaño. Este debe estar relacionado con la superficie de captación y con el grado de soleamiento de la zona dónde se decida instalar. De esta forma, si el depósito es demasiado pequeño, se estaría desaprovechando parte de la energía solar obtenida. Por el contrario, si el tanque es demasiado grande, no se conseguirían alcanzar las temperaturas adecuadas de funcionamiento.

Figura 9.7. Acumuladores solares

El intercambiador de calor en una instalación solar térmica de baja temperatura se instala cuando se quiere transferir el calor desde un fluido a otro, sin que estos se mezclen, independizando de esta manera los dos circuitos. Cuando se instala un intercambiador, éste se encarga de transferir la energía absorbida en el circuito primario de captadores, que contienen agua con anticongelante, al agua del circuito secundario de consumo. En instalaciones de pequeño tamaño (superficie de captación solar por debajo de 25 m2), resulta más económico integrar el intercambiador en el interior del acumulador solar, dando lugar a los llamados interacumuladores. De entre los distintos tipos existentes, los más eficientes son los de doble envolvente o doble camisa. Las bombas de circulación, normalmente accionadas por un motor eléctrico, proporcionan al fluido caloportador empleado en la instalación una cantidad de energía suficiente para transportarlo, consiguiendo de esta manera la transferencia de calor. Se emplea sólo en las configuraciones de instalaciones con circulación forzada. Por su parte, el sistema auxiliar de generación térmica es un elemento necesario en todas las instalaciones solares térmicas de baja temperatura, con el objetivo de que los usuarios no sufran restricciones energéticas en aquellos periodos en los que no hay suficiente radiación y el consumo es elevado. Para evitar estas situaciones, la mayoría de sistemas EST-BT (obligatorio en las instalaciones de ACS contempladas en el CTE), cuentan con un sistema auxiliar basado en energías convencionales u otras fuentes renovables, como pueden ser calentadores eléctricos o calderas de gas, gasóleo o biomasa. El objetivo es que el equipo auxiliar entre en funcionamiento el menor número de veces y tiempo posibles, es decir, que el sistema solar cubra la máxima demanda térmica posible. Los sistemas de auxilio térmico pueden ser de calentamiento instantáneo o en línea, y de calentamiento en un acumulador, el cual tiene obligatoriamente que ser distinto del depósito acumulador solar. Además de los equipos descritos, existen otros elementos que son indispensables en una instalación EST-BT para el correcto funcionamiento de la misma y, entre ellos, están los dispositivos de expansión (normalmente depósitos de expansión cerrados con membrana), válvulas (de corte y drenaje, regulación, antirretorno y seguridad), purgadores y desaireadores, manómetros y termostatos (habitualmente, termostatos diferenciales de control).

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Por otro lado, existen diferentes configuraciones de sistemas solares térmicos de baja temperatura, atendiendo a diferentes aspectos:  Según el tipo de intercambio: Directo e indirecto.  Según el tipo de circulación: Circulación natural o termosifónica y circulación forzada. Atendiendo al tipo de intercambio entre el circuito primario y el depósito de acumulación (Figura 9.8), en las instalaciones con intercambio directo se transfiere directamente el agua caliente producida en el captador solar hacia el depósito de acumulación, mientras que en las instalaciones con intercambio indirecto existen dos circuitos, el circuito primario del sistema captador y el circuito secundario de consumo donde se encuentra el sistema de almacenamiento, transfiriéndose el calor entre los dos circuitos a través de un intercambiador.

Figura 9.8. Tipos de instalaciones EST-BT en función del tipo de intercambio: Sistema directo (izquierda) e indirecto (derecha)

Por su parte, según el tipo de circulación del fluido caloportador los sistemas pueden ser (Figura 9.9):  Con circulación natural o sistemas termosifónicos. Estos sistemas no disponen de bombas de impulsión, aprovechando la circulación natural del agua caliente, la cual, por su menor densidad frente al agua fría, tiende a ascender. En el sistema captador, la entrada de fluido se realiza por la parte inferior, el cual, al calentarse por efecto del sol, aumenta su temperatura y disminuye su densidad, por lo que tiende a subir. Este efecto es continuo en todo el captador, por lo que el fluido adquiere la suficiente inercia como para salir del captador y llegar hasta el intercambiador situado en el acumulador. Una vez cede el calor al agua del acumulador, la temperatura del fluido del circuito primario (circuito de captación) disminuye, aumenta su densidad y tiende a bajar, cerrando de esta forma el circuito de circulación.  Con circulación forzada del agua. Estos sistemas, a través de una bomba de impulsión accionada mediante energía eléctrica e instalada en el sistema de captación, hacen circular el fluido más rápidamente, impidiendo así que se pueda perder parte de las calorías ganadas en el proceso de distribución.

Figura 9.9. Tipos de instalaciones EST-BT en función del tipo de circulación: Sistema con circulación natural o termosifónico (izquierda) y sistema con circulación forzada (derecha)


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Respecto al dimensionamiento, cálculo e instalación de los sistemas solares térmicos de baja temperatura, cabe recurrir a las prescripciones establecidas en el CTE, en concreto en la exigencia básica HE4 del documento básico DB HE de ahorro de energía. Efectivamente, en la DB HE4 “Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria” se establecen las condiciones de demanda de las instalaciones de agua caliente sanitaria (ACS) en los edificios que así lo requieran. Para satisfacer esta demanda, se deben instalar dispositivos de captación solar térmica a baja temperatura, almacenamiento y utilización de la energía del sol. Pues bien, este documento constituye un autentico manual técnico de dimensionamiento e instalación de sistemas EST-BT, el cual, aunque establecido para las aplicaciones de ACS, también puede ser empleado para los restantes usos de los sistemas solares a baja temperatura. Por su importancia, en el Anejo 1 de este documento se incluye el DB HE4 para el conocimiento y normal utilización del alumno. Dicho lo anterior, respecto al método para el dimensionamiento de la superficie captadora de las instalaciones solares térmicas, el DB HE4 establece como método de referencia f-Chart. El método f-Chart o de las gráficas-f fue desarrollado en 1973 por los profesores Klein, Beckman y Duffie, para el cálculo de la cobertura de un sistema solar a baja temperatura, es decir, la contribución a la aportación del calor total necesario para hacer frente a las cargas térmicas, y de su rendimiento medio en un largo período de tiempo. Este método está ampliamente aceptado como un proceso de cálculo suficientemente exacto para largas estimaciones, por lo que no debe aplicarse para estimaciones de tipo semanal o diario debido a la pérdida de precisión del mismo. Utiliza datos mensuales medios meteorológicos y es un método perfectamente válido para determinar el rendimiento o factor de cobertura solar en instalaciones de calentamiento, en todo tipo de edificios y aplicaciones, mediante captadores solares planos. Según el método f-Chart, la fracción solar de un mes determinado (f, adimensional) se determina según la siguiente expresión: f  1,029·D 1 - 0,065·D 2 - 0,245·D 12  0,0018·D 22  0,0215·D 13 Expresión 9.2. Expresión de cálculo de la cobertura solar según el método f-Chart

De esta forma, la secuencia de cálculo es la siguiente:  Valoración de las cargas caloríficas para el calentamiento de agua destinada a producción de ACS o calefacción.  Valoración de la radiación solar incidente en la superficie inclinada del captador o captadores.  Cálculo del parámetro D1. Este parámetro expresa la relación entre la energía absorbida por la placa del captador plano y la carga calorífica total de calentamiento durante un mes.  Cálculo del parámetro D2. Este parámetro expresa la relación entre las pérdidas de energía en el captador, para una determinada temperatura y la carga calorífica de calentamiento durante un mes.  Determinación del factor f.  Valoración de la cobertura solar mensual.  Valoración de la cobertura solar anual. El proceso de cálculo de los parámetros D1 y D2 se obtiene a través de expresiones complejas, las cuales pueden ser obtenidas de diferentes fuentes documentales referidas en la sección de Bibliografía, como la original de sus creadores (Duffie y Beckman, 2006).

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9.1.4. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Un sistema de energía solar fotovoltaica (ESF) es el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar la energía solar disponible y transformarla en utilizable como energía eléctrica. Estos sistemas, independientemente de su utilización y de su potencia, se pueden clasificar según el siguiente esquema (Figura 9.10):  Autónomo o aislados de la red de distribución eléctrica.  Conectados a red de distribución eléctrica.  Híbridos. Combinados con otro tipo de generación de energía eléctrica.

Figura 9.10. Esquemas de las configuraciones básicas de los sistemas solares fotovoltaicos

Un sistema ESF consta de los siguientes elementos fundamentales:  Generador fotovoltaico. Elemento encargado de captar y convertir la radiación solar en energía eléctrica mediante los módulos fotovoltaicos (Figura 9.11). Los módulos fotovoltaicos están formados por células solares asociadas entre sí. Las células solares son los dispositivos encargados de la conversión directa de la radiación solar en energía eléctrica en forma de corriente continua. Existen diferentes tipos de células solares, pero las más usadas son las de silicio monocristalino y silicio policristalino. La mayor parte de los módulos solares se construyen asociando primero células solares en serie hasta conseguir el nivel de tensión deseado, y luego conectando en paralelo varias asociaciones serie de células solares hasta alcanzar el nivel de intensidad de la corriente eléctrica requerida. Por otro lado, hay que especificar que todos los módulos deberán satisfacer las especificaciones UNE-EN 61215 para módulos de silicio cristalino, UNEEN 61646 para módulos fotovoltaicos de capa delgada, o UNE-EN 62108 para módulos de concentración, así como la especificación UNE-EN 61730-1 y 2 sobre seguridad en módulos fotovoltaicos. Este requisito se justificará mediante la presentación del certificado oficial correspondiente emitido por algún laboratorio acreditado.


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Figura 9.11. Constitución de un módulo solar fotovoltaico

 Baterías o acumuladores. Almacenan la energía eléctrica producida por el generador fotovoltaico para poder utilizarla en períodos en los que la demanda exceda la capacidad de producción del generador (Figura 9.12). Una batería está formada por la asociación en serie de elementos llamados vasos o celdas, cada una de las cuales consta de dos electrodos de distinto material (materia activa) inmersos en una disolución electrolítica. Las baterías más utilizadas en aplicaciones fotovoltaicas son de 12 o 24 Vcc.

Figura 9.12. Baterías para la acumulación de energía eléctrica empleadas en instalaciones ESF

 Regulador de carga. Dispositivo encargado de proteger y garantizar el correcto mantenimiento de la carga de la batería y evitar sobretensiones que puedan destruirla.  Inversor o acondicionador. Elemento encargado de transformar la corriente continua producida por el generador fotovoltaico en corriente alterna, necesaria para alimentar algunas cargas o para introducir la energía producida en la red de distribución eléctrica, en el caso de instalaciones conectadas a red.  Elementos de protección del circuito como interruptores de desconexión, diodos de bloqueo, etc., dispuestos entre diferentes elementos del sistema, para proteger la descarga de elementos en caso de fallo o situaciones de sobrecarga. Respecto a la configuración de sistemas ESF aislados de red, éstos tienen como objeto satisfacer total o parcialmente la demanda de energía eléctrica en aquellos

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emplazamientos donde no existe red eléctrica de distribución o ésta es de difícil acceso (Figura 9.13). Los sistemas aislados normalmente están equipados con sistemas de acumulación de energía, ya que sólo pueden obtener energía eléctrica durante el día y la demanda se produce a lo largo del día y de la noche. Esto supone, que el campo fotovoltaico ha de estar dimensionado de forma que permita, durante las horas de insolación, la alimentación de la carga y la recarga de las baterías de acumulación.

Figura 9.13. Instalación ESF aislada de red para abastecer una estación meteorológica

Por su parte, los sistemas conectados a red (Figura 9.14) no tienen baterías, ya que la energía producida durante las horas de insolación es inyectada a la red de la compañía eléctrica, obteniendo unos ingresos por la venta de energía. Estas instalaciones cuentan con sistemas de seguimiento del estado de la tensión de la red de distribución, de manera que se garantice su correcto funcionamiento en lo referente a la forma de entregar la energía, evitando así posibles situaciones de peligro.

Figura 9.14. Instalación ESF conectada a la red de distribución

Respecto al dimensionamiento, instalación y mantenimiento de los sistemas solares fotovoltaicos, cabe recurrir a las prescripciones establecidas en el CTE, en


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concreto en la exigencia básica HE5 del documento básico DB HE de ahorro de energía. Efectivamente, en la DB HE5 “Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica” se obliga a determinados edificios a incorporar sistemas fotovoltaicos en función de las características específicas de los mismos. Pues bien, este documento constituye un manual técnico con instrucciones de cálculo, instalación y mantenimiento de sistemas ESF, el cual puede ser empleado para el dimensionamiento de este tipo de instalaciones. Por su importancia, se incluye el DB HE5 para el conocimiento y normal utilización del alumno.

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9.2.

ENERGÍA EÓLICA DE PEQUEÑA POTENCIA.

La energía eólica de pequeña potencia, también conocida como minieólica, es el aprovechamiento de los recursos eólicos mediante la utilización de aerogeneradores de potencia inferior a los 100 kW. De acuerdo con las normas internacionales, los equipos que aprovechen esta tecnología deben tener un área de barrido que no supere los 200 m2 (Asociación de Productores de Energías Renovables, 2009). Desde el punto de vista legislativo, la energía minieólica se encuentra catalogada en el mismo marco regulatorio y retributivo que la gran eólica a pesar de ser tecnologías de generación energética muy dispares. Esta falta de diferenciación entre ambas tecnologías, está perjudicando enormemente el desarrollo del sector minieólico. Históricamente en España, los pequeños aerogeneradores se han venido utilizando mayoritariamente para el autoconsumo de instalaciones aisladas de red y conectadas a baterías (almacenamiento de energía eléctrica) como son los repetidores de telefonía móvil, sistemas de vigilancia de carreteras, y para el suministro de energía en zonas rurales alejadas de la red eléctrica (Figura 9.15).

Figura 9.15. Aerogenerador ubicado en vivienda unifamiliar

Aunque el recurso es el mismo que en la gran eólica, las instalaciones minieólicas tienen características propias:  Generación de energía próxima a los puntos de consumo, reduciendo las pérdidas de transporte (generación distribuida).  Versatilidad de aplicaciones y ubicaciones, ligado al autoconsumo.  Accesibilidad tecnológica al usuario final, por las relativamente bajas inversiones requeridas.  Funcionamiento con vientos moderados, sin requerir complejos estudios de viabilidad.  Suministro de electricidad en lugares aislados y alejados de la red eléctrica.  Reducidos costes de operación y mantenimiento.  Reducido impacto ambiental, al ser equipos de pequeño tamaño y reducido impacto visual. La tecnología eólica de baja potencia presenta múltiples soluciones tecnológicas que conviven en el mercado, lo cual es un indicador claro de la falta de madurez de esta tecnología energética, que poco a poco se va evitando a medida que se consolidan las mejores soluciones y diseños se van apareciendo. Un aerogenerador de baja potencia está compuesto esencialmente por un rotor (de eje horizontal o vertical, Figura 9.16), en el cual se convierte la energía cinética del viento, en energía en forma mecánica. De esta manera, los aerogeneradores


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horizontales, necesitan estar orientados en la dirección del viento, bien sea de forma manual o mediante el uso de un mecanismo de control, mientras que las turbinas de eje vertical, no necesitan tal sistema de control, siendo indiferente de qué lado sople el viento, la posición del rotor siempre es la correcta. Por otro lado, está el generador eléctrico, que acoplado mecánicamente al rotor, convierte la energía mecánica en energía eléctrica normalmente de frecuencia y tensión variable, y el sistema de orientación (timón o aleta de cola). Todos estos elementos, tienen que estar a una distancia del suelo mediante una estructura soporte o torre. Además, hace falta un sistema de acondicionamiento de potencia que en el caso de aerogeneradores para carga de baterías (sistemas aislados de red), será un rectificador o convertidor CA/CC y un regulador de carga.

Figura 9.16. Aerogenerador de eje vertical (izquierda) y de eje horizontal (derecha)

Por último, es imprescindible que los aerogeneradores de pequeña potencia, estén equipados con un sistema de protección contra sobrevelocidad en caso de velocidades de viento extremas. Este dispositivo es muy importante para la seguridad del aerogenerador y para alargar la vida útil del mismo, al evitar elevadas cargas mecánicas sobre las palas del rotor.

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9.3.

ENERGÍA DE LA BIOMASA

El aprovechamiento de la biomasa se basa en la transformación de la energía contenida en el enlace químico del carbono de la materia orgánica. La forma más directa y habitual de aprovechamiento de la energía de la biomasa es la combustión de la biomasa sólida. Sin embargo no toda la biomasa se usa como combustible sólido. Mediante tratamientos físicos, químicos o biológicos intermedios se obtienen combustibles líquidos o gaseosos. Los biocombustibles (sólidos, líquidos o gaseosos) se pueden quemar en calderas, y el calor así obtenido puede emplearse en calefacción, en procesos industriales y para generación de electricidad. Los biocombustibles líquidos o gaseosos también pueden emplearse en motores, para extraer trabajo mecánico que haga funcionar máquinas, mover vehículos o generar electricidad en grupos electrógenos o turbinas. 9.3.1. CONCEPTOS DE BIOMASA Y BIOCOMBUSTIBLE Se denomina biomasa a las materias primas de tipo renovable que se originan a partir de la materia orgánica formada por vía biológica. Atendiendo al origen de la biomasa, se puede distinguir entre: Biomasa primaria: materia orgánica formada directamente por los seres fotosintéticos (algas, plantas verdes y demás seres autótrofos). Comprende toda la biomasa vegetal: cultivos energéticos, residuos agrícolas y forestales. Biomasa secundaria: producida por seres heterótrofos que utilizan en su nutrición biomasa primaria y la transforman en un nuevo tipo de biomasa. Forman este grupo la carne y las deyecciones de los animales herbívoros. Biomasa terciaria: es la producida por los seres que se alimentan de biomasa secundaria y a su vez la transforman. Incluye la carne de los animales carnívoros. Biocombustible: productos de la biomasa que se emplean para fines energéticos. Se suele limitar el uso de este término a los productos energéticos, principalmente sólidos, que se utilizan en aplicaciones térmicas, y llamar biocarburante a los productos que se utilizan en motores térmicos, aunque también se distinguen hablando de biocombustibles sólidos y biocombustibles líquidos. Biogás: se obtiene mediante el proceso de digestión anaerobia de purines. Gas de gasógeno: se obtiene a partir de biomasa lignocelulósica. Las fuentes de biomasa son:  Biomasa natural: se produce espontáneamente en las tierras no cultivadas.  Residuos agrícolas: paja de los cereales, restos de poda; residuos de cultivos industriales como algodón o girasol.  Residuos de la industria agroalimentaria: cáscaras de frutos secos, huesos de aceituna, bagazo de la caña de azúcar, orujo de la industria aceitera o de vinificación.  Residuos forestales: ramas, hojas, tocones, raíces, cortezas, astillas provenientes de las industrias de transformación de la madera o de tratamiento silvícolas.  Residuos ganaderos: estiércol y purines.  Residuos urbanos: basuras, residuos líquidos.  Excedentes de cosechas.  Cultivos energéticos: caña de azúcar, maíz, cardo, chopo, paulonia…


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9.3.2. APLICACIONES ENERGÉTICAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES Producción de electricidad: Se obtiene a partir de la transformación de la biomasa, bien por combustión directa, a través del ciclo de vapor, bien por combustión de un gas de síntesis a través de una turbina de gas. Las formas más usuales son:  Alternadores acoplados a motores accionados por biocombustibles líquidos, biogás o gas de gasógeno. Potencias inferiores a 1 MW.  Centrales térmicas que utilizan biocombustibles sólidos, produciendo vapor, el cual mueve una turbina acoplada a un alternador. Potencias entre 1 y 100 MW.  Plantas de gasificación de biomasa, cuyo gas puede generar electricidad mediante un proceso de ciclo combinado de turbina de gas y producción de vapor. Potencias inferiores a 40 MW. Energía mecánica: Los biocombustibles pueden sustituir total o parcialmente a los combustibles fósiles en motores de explosión. Existen dos tipos de biocarburantes:  Bioetanol, obtenido de cultivos energéticos, que sustituye a la gasolina.  Bioaceites y ésteres derivados, obtenidos a partir de semillas oleaginosas, que sustituyen al gasoil. Son los llamados biodiesel. Energía térmica: Producción de agua o aire caliente y vapor mediante combustión en calderas. Cogeneración: Producción conjunta de energía térmica y eléctrica. En esta Unidad nos centraremos a los sistemas de producción de energía térmica de la biomasa mediante su combustión en calderas. 9.3.3. COMBUSTIÓN DIRECTA: CALDERAS DE BIOMASA Las calderas de biomasa se instalan en sustitución de calderas de combustibles fósiles. El uso más frecuente es el de calefacción y con este fin se instalan en viviendas unifamiliares, edificios de viviendas o comerciales, hoteles, colegios, residencias, naves industriales, invernaderos, instalaciones agropecuarias, etc. Las calderas de biomasa también se utilizan en cogeneración para autoconsumo de electricidad y calor en microcogeneración, y para producción de energía eléctrica, en centrales térmicas convencionales o en plantas de cogeneración. Los biocombustibles más utilizados para el uso de biomasa con aplicaciones para calefacción son los pellets, las astillas de madera, los residuos agroindustriales (orujillos, pepitas de uva, cáscaras de almendra, huesos de aceituna) y la leña. Los sistemas modernos de calefacción con biomasa trabajan del mismo modo que los sistemas de calefacción convencionales con gasóleo o gas. El estado actual de desarrollo tecnológico de estas calderas permite que la limpieza de las superficies de intercambio y la extracción de cenizas sean automáticas. Estos sistemas de calefacción arrancan automáticamente y modulan la potencia según la demanda. Sin embargo, hay que destacar la existencia de una amplia gama de calidades disponibles en el mercado. La selección cuidadosa de una caldera de alta calidad es esencial para realizar con éxito un proyecto. Las calderas de biomasa para aplicaciones de calefacción doméstica o comercial son equipos compactos de potencia baja a media (hasta 150-200 kW). Este tipo de sistemas alcanzan rendimientos energéticos más altos que las calderas de gas y de gasoil.

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Existen distintos tipos de calderas de biomasa, en función del tipo de combustible y de la tecnología utilizada. Calderas de pellets: suelen ser pequeñas (hasta 40 kW) y altamente eficientes. Estas calderas se caracterizan por su bajo coste, pequeño tamaño y un elevado rendimiento. Calderas de biomasa: su potencia varía desde 25 kW a cientos de kW. Se pueden utilizar varios combustibles, pero no de forma simultánea, sino que se ha de reprogramar la caldera, pues se requieren modificaciones en el tornillo de alimentación; vaciar el silo y cargar con el nuevo combustible. Calderas mixtas o multicombustible: admiten varios tipos distintos de combustible, cambiando de unos a otros de manera rápida y eficiente, como por ejemplo pellets y astillas. Suelen fabricarse para potencias medias (alrededor de 200 kW) o grandes. Las calderas convencionales de carbón o gasóleo se pueden adaptar para ser utilizadas con biomasa. El coste es bajo pero al no estar diseñadas para biomasa su eficiencia es reducida (75-85%) y no disponen de sistemas específicos de mantenimiento y limpieza.

a

b

Figura 9.17. (a) Caldera de agua (b) Generador de aire

Las calderas d e biomasa diseñadas específicamente para un biocombustible determinado alcanzan rendimientos de hasta un 92%. Normalmente disponen de sistemas automáticos de alimentación del combustible, de limpieza del intercambiador de calor y de extracción de las cenizas. Se puede utilizar otro combustible, pero el rendimiento disminuye. Las calderas mixtas permiten el uso alternativo de dos combustibles manteniendo una eficiencia elevada, próxima al 92%. Son calderas totalmente automáticas. El cambio de un combustible a otro se decide en función del precio y de las condiciones de suministro. Requieren mayor inversión y más espacio puesto que se requiere un silo y un sistema de alimentación de la caldera para cada combustible. Las calderas de pellets a condensación recuperan el calor latente de condensación contenido en el combustible bajando progresivamente la temperatura de los gases hasta que se condensa el vapor de agua en el intercambiador. Mediante esta tecnología, el ahorro de pellets es del 15% respecto a una combustión estándar.


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Caldera

Silo

1. Rejilla circular de combustión – 2. Anillo de combustión secundaria – 6. Cenicero con dispositivo de compactación – 7. Intercambiador con muelles de limpieza – 9. Accionamiento del sistema de limpieza – 11. Ventilador – 12. Microprocesador de control – 13. Encendedor eléctrico – 14. Tornillo alimentador – 15. Motor principal – 18. Compuerta protección antiincendio – 20. Conducto de extracción desde el silo – 21. Tornillo sinfín de extracción desde el silo – 22. Accionamiento de extracción desde el silo Figura 9.18. Componentes de una caldera

El coste de inversión de la instalación de biomasa (caldera y elementos auxiliares necesarios como silo, alimentación de biomasa, etc.) es bastante mayor que las instalaciones con calderas de gasóleo (hasta 4-10 veces para calderas de biomasa de alta calidad). Hay que tener en cuenta también que un sistema de calefacción con biomasa necesita algo más de espacio para la caldera, espacio para el silo de combustible y el acceso para el suministro del mismo. El valor final en cada caso depende de muchos factores:        

Características del combustible Rendimiento Silo de almacenamiento Limpieza automática Extracción de cenizas Límites de emisiones Tipo de aplicación Obra civil necesaria

Por este motivo es importante realizar un estudio de viabilidad antes de acometer el proyecto de la instalación. En el estudio de viabilidad se tendrá en cuenta:  La demanda energética: máxima puntual y total anual.  Las características del biocombustible: PCI, humedad, cenizas, granulometría, densidad y temperatura de fusión de cenizas.  Las características técnicas de la caldera y auxiliares.  El almacenamiento, modo de suministro y descarga de la biomasa.  El espacio disponible para el cuarto de calderas y el silo de combustible, en el edificio o fuera de él.  Los límites de emisiones de acuerdo con la normativa local.  El precio del biocombustible y las condiciones de pago.  El suministro de biomasa es un factor importante a considerar. Se debe contar con un suministro regular de biomasa de la calidad requerida por la caldera, y a un precio estable, garantizado a largo plazo.

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9.3.3.1.

Combustible

No todas las biomasas son combustibles iguales y las calderas están diseñadas para un combustible con unas especificaciones determinadas. Normalmente las calderas de pequeña potencia admiten un combustible estandarizado según una norma, como por ejemplo los pellets o astillas secas (contenido en humedad <30%) y cribadas con una granulometría adecuada. Por otro lado, las calderas de gran potencia se diseñan a medida de un combustible determinado y admiten una variación limitada en las características de éste. En cualquier caso, para el adecuado funcionamiento del sistema de calefacción con biomasa es esencial que la calidad del combustible se corresponda con los requerimientos de la caldera. Los parámetros más importantes en el combustible son los siguientes:       

Granulometría Densidad Poder calorífico Humedad Contenido en cenizas Contenido en cloro Temperatura de fusión de las cenizas

El contenido energético de la biomasa se mide a través de su poder calorífico. El poder calorífico inferior, PCI, es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua de la combustión, ya que no se produce cambio de fase, sino que se expulsa en forma de vapor. El poder calorífico superior, PCS, es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa del combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado. Se contabiliza el calor desprendido en este cambio de fase. Las astillas de restos de poda de cultivos leñosos son un combustible adecuado para su uso en hornos cerámicos y de panadería, viviendas, calefacciones centrales, etc. Su tamaño varía entre 5 y 10 mm de longitud. Su contenido en humedad depende de la materia prima de origen, de la recogida y de la tecnología de astillado, siendo mayor en astillas procedentes de tratamientos silvícolas. Los pellets son pequeños cilindros que se obtienen de la compactación de serrines y virutas, o a partir de astillas y otras biomasas, mediante la aplicación de presión y vapor, sin aditivos químicos. Tienen un grado de humedad adecuado (inferior al 10% los de buena calidad) y constituyen un combustible competitivo, con bajo contenido en cenizas. Al ser más densos que las astillas requieren tamaños de silo menores que éstas. Por su tamaño se comportan como un fluido, por lo que pueden ser bombeados al silo y permiten una buena regulación y automatización en la caldera. Los residuos agroindustriales son combustibles económicos procedentes en su mayoría de almazaras, alcoholeras y de la industria de los frutos secos. La leña es muy económica y en muchas ocasiones puede producirse por los propios usuarios de la caldera. La calidad depende del tipo de madera y su contenido en humedad. Las briquetas consisten en biomasa compactada en forma cilíndrica o de ladrillo. La materia prima puede ser biomasa forestal, residuos de la industria maderera (serrín, virutas) o de la industria agroalimentaria. Sustituyen normalmente a la leña en las calderas. Su contenido en humedad es muy bajo.


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La tabla 9.3 recoge las características de la biomasa más frecuente para su combustión en calderas. La tabla 9.4 muestra el poder calorífico superior e inferior de distintos combustibles, tanto convencionales como renovables. Tipo de biomasa Pellets Astillas Hueso de aceituna Cáscara de frutos secos Leña Briquetas b.h.: base húmeda

PCI (kJ/kg) 17.000–19.000 10.000–16.000 18.000–19.000 16.000–19.000 14.400–16.200 17.000–19.000

(kWh/kg) 4,7–5,3 2,8–4,4 5,0–5,3 4,4–5,3 4,0–4,5 4,7–5,3

Humedad b.h. (%) <15 <40 7-12 8-15 <20 <20

Densidad 3 kg/m 1.000-1.400 200-250 650-700 350-850 300-400 1.000

Tabla 9.3. Propiedades de biocombustibles sólidos. Fuente: IDAE

Combustible Combustibles sólidos Antracita Carbón vegetal Combustibles líquidos Fuel-oil nº 1 Gasolina Gasoil de automoción Etanol de 99,5 (0,5% de agua en volumen) Etanol de 95 (4% de agua en volumen) Combustibles gaseosos Metano Propano Butano Biocombustibles sólidos * Paja de cereales Tallos de girasol Sarmientos de vid Poda de olivo Leñas y ramas de coníferas Leñas y ramas de frondosas Cortezas de coníferas Cortezas de frondosas Cáscara de almendra Podas agrícolas Biomasa de cardo seca Biomasa de cardo con 15% de humedad Biomasa de chopo seca Biomasa de chopo con 15% de humedad Biomasa de Paulonia

PCS (kcal/kg)

PCI (kcal/kg)

8.360 7.500

8.000 7.200

10.150 11.200 10.300 7.200 6.740

9.450 10.500 9.695 6.900 6.420

12.738 12.900 11.800

11.130 11.000 10.900

4.420 4.060 4.560 4.600 4.950 4.600 5.030 4.670 4.670 4.600 3.899 3.333 4.704 3.770 5.064

4.060 3.700 4.200 4.240 4.590 4.240 4.670 4.310 4.400 3.050 3.608 2.999 4.392 3.456 4.665

* PCS y PCI con contenido en humedad 0 salvo que se especifique el valor de éste. Tabla 9.4. Poderes caloríficos superior e inferior de algunos combustibles fósiles y biocombustibles. Valores en kcal/kg

La tabla 9.5 muestra las ventajas e inconvenientes de los tipos de biomasa sólida más habituales.

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Ventajas

Inconvenientes Consideraciones

Ventajas

Inconvenientes

Consideraciones

Ventajas

Inconvenientes Consideraciones

Pellets – Elevado poder calorífico. – Muy bajo contenido en cenizas, reduciendo las necesidades de operación y mantenimiento. – Las calderas de pellets son de muy alta eficiencia, incluso existen calderas de condensación de pellets. – Se comercian a nivel internacional, con una composición constante. – Se utilizan con composiciones estándar en Europa. – Elevado precio en comparación con otras biomasas. – Precisa de almacenamiento en lugar aislado y seco. – No necesita ningún tipo de secado o tratamiento una vez producido. – Están estandarizados, por lo que presentan alta fiabilidad de operación y menor esfuerzo para la operación y mantenimiento de la caldera. Sin embargo, su coste es elevado debido al tratamiento al que son sometidos en su preparación. Astillas de madera – Su coste de producción es inferior al de los pellets debido al menor proceso de elaboración requerido. – Las astillas limpias de corteza y secas (clase 1) son normalmente de alta calidad. – Tiene un grado medio de estandarización a nivel Europeo. – Son menos densas que los pellets y el hueso de aceituna, por lo que precisan de un espacio mayor para el almacenamiento. – Al ser menos densas, el transporte sólo se justifica hasta una distancia corta (< 50 km). – Su composición es variable. – Es preciso secar la materia prima de forma natural o artificial hasta una humedad inferior al 45%, o incluso menor que el 30% en el caso de las mejores astillas de clase 1. – Presentan un contenido en cenizas inferior al 1% (clase 1) o 5% (clase 2). Residuos agroindustriales – Disponibilidad y tipos (abundancia de productos y cantidades). – Grandes producciones en España. – Su coste de producción es inferior debido al ser subproductos de un proceso. – Normalmente tienen un elevado poder calorífico, pero se debe tener precaución con la calidad de la biomasa que va a adquirirse, evitando biomasas con residuos no deseados. – Su contenido en cenizas, aunque es aceptable, es superior al del pellet, por lo que las labores de mantenimiento tenderán a ser mayores. – Pueden ser biomasas estacionales, por lo que su suministro, si es directamente del productor, debe acordarse durante la temporada. – Composición variable.

Leña y briquetas Su uso es poco frecuente y prácticamente exclusivo para calderas pequeñas y de un grado de automatización medio, ya que hay que introducir leña o briquetas varias veces al día (los días de mayor consumo). El coste de producción de las briquetas es muy superior al de la leña, aunque el poder calorífico de la primera está claramente por encima. Además las briquetas producen menos cenizas, facilitando la limpieza y mantenimiento de la caldera. Tabla 9.5. Ventajas e inconvenientes de distintos biocombustibles sólidos


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9.3.4. SILOS Una caldera de biomasa requiere de un silo para almacenar la biomasa a granel. El silo debe estar bien aislado contra la humedad. Los requisitos indispensables para los sistemas de almacenamiento de biocombustibles sólidos vienen descritos detalladamente en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE). Algunas Comunidades Autónomas, además, añaden unos requisitos adicionales para las instalaciones en edificios alimentados con biomasa. Existen tres tipos de silo: de obra, enterrado y flexible. Los silos de obra ocupan una estancia próxima a la sala de calderas. La alimentación puede ser neumática o a granel. Pueden ser de distintas formas:  Silo con suelo inclinado. El transporte del combustible a la caldera se realiza por un tornillo sinfín.  Silo de suelo móvil  Silo con alimentación neumática (puede estar hasta a 30 m de la caldera).

Figura 9.19. Silo de obra con suelo inclinado

a

b Figura 9.20. (a) Silo flexible (b) Silo enterrado

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Los silos flexibles (figura 9.20-a) están fabricados de un tejido especial de poliéster antiestático de alta resistencia, reforzado con hilos metálicos, sellado y resistente a humedades. Son de montaje simple y rápido, resultando económicos y flexibles. La alimentación es neumática y disponen de un sistema de captación para alimentar a la caldera por gravedad. Los silos enterrados (figura 9.20-b) son de plástico sintético no corrosivo. No se recomienda su instalación a más de 20 metros de la caldera ni a más de 30 metros de la alimentación del camión. Cuando se recargan es necesario extraer el polvo generado y su mantenimiento es difícil. El suministro del silo dependerá de las dimensiones de éste y del combustible. La carga puede hacerse de varias formas:  Carga manual de silo: bolsas pequeñas (sacos de hasta 20 kg), big-bag (sacos de plástico o rafia de 1 m3 de capacidad).  Camión neumático  Camión volquete  Remolque de piso móvil El transporte de la biomasa del silo a la caldera se suele hacer mediante un tornillo sinfín o bien mediante un sistema neumático. Tornillo sinfín  Puede ser rígido, en codo o flexible.  Puede quedar bloqueado por trozos de biocombustible que excedan el límite dimensional, especialmente cuando los tornillos sinfín están dentro de un tubo.

a

b Figura 9.21. (a) Tornillo sinfín rígido (b) Sinfín flexible

Sistema neumático:     

El combustible es bombeado hasta la caldera. El silo puede ir montado en un lugar no contiguo a la caldera. Largo máximo de la manguera: 20 metros Evitar curvas, uniones de varias mangueras y subidas mayores de 6 metros. Es el sistema más económico pero sólo admite pellets o combustibles de tamaño y forma muy homogénea.

Otras soluciones: Sistemas híbridos.


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a

b

Figura 9.22. (a) Sistema neumático (b) Sistemas híbridos

El diseño de los silos de almacenamiento debe cumplir una serie de premisas para prevenir el daño del combustible o una autocombustión. Son las siguientes: Ausencia de humedad: Si es necesario, las paredes, suelo y techo se impermeabilizarán. Es necesaria la ventilación en caso de almacenamiento de astillas para evitar aparición de mohos. Las instalaciones eléctricas dentro del almacén no están permitidas. Toma de tierra: Si se utiliza un sistema neumático para el transporte de la biomasa, bien del camión al silo o del silo a la caldera, el sistema deberá contar con una toma de tierra para evitar la aparición de chispas por cargas electrostáticas. Vaciado del almacenamiento: se debe prever un procedimiento de vaciado para mantenimiento o reparación o en caso de riesgo de incendio. Protección contra incendios: En edificios nuevos el almacenamiento y la sala de máquinas deben encontrarse situados en locales distintos y con las aperturas para el transporte desde el almacenamiento a los generadores de calor dotadas con los elementos adecuados para evitar la propagación de incendios de una a otra. En instalaciones térmicas existentes que se reformen, en donde no pueda realizarse una división en dos locales distintos, el depósito de almacenamiento estará situado a una distancia de la caldera superior a 0,7 m y deberá existir entre el generador de calor y el almacenamiento una pared con resistencia ante el fuego de acuerdo con la reglamentación vigente de protección contra incendios. La resistencia al fuego de los elementos delimitadores y estructurales del almacenamiento de biocombustible será la que determine la reglamentación de protección contra incendios vigente (Código Técnico de la Edificación - Documento Básico SI Seguridad en caso de incendio). De acuerdo con el citado documento, los almacenes de combustible sólido para calefacción se clasifican bajo el nivel de riesgo medio y deberán cumplir sus correspondientes exigencias de seguridad. Resistencia a la presión del combustible: las paredes y puertas del almacén deben ser capaces de soportar la presión del biocombustible almacenado. Mantenimiento del tornillo sinfín: una vez al año se debe limpiar el polvo acumulado y engrasarse los cojinetes del tornillo sinfín. 9.3.5. DIMENSIONAMIENTO DE LA CALDERA Los principales factores a tener en cuenta en el diseño del sistema son, en primer lugar, las necesidades de calefacción, que determinarán la potencia de la

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caldera; el combustible, de cuya elección dependerá el tipo de caldera a instalar y el rendimiento de ésta; y la autonomía prevista, que determinará la capacidad del silo. Potencia calorífica demandada En edificios de nueva construcción se estimará la potencia calorífica demandada según la Norma UNE EN 12831-2003 sobre cálculo de sistemas de calefacción en edificios. En edificios ya construidos, cuando la caldera sustituye a un sistema de calefacción previo, la potencia demandada por dicho sistema y el histórico de consumos dan una información valiosa a la hora de dimensionar la caldera. Necesidad de espacio disponible En el diseño de la instalación se ha de tener en cuenta el espacio necesario para el silo de almacenamiento. Este espacio puede ser un factor limitante en aquellos casos en los que la caldera de biomasa sustituya a una convencional, de modo que puede llegar a determinar la autonomía de la instalación. Se tendrán en cuenta las distancias mínimas a respetar según RITE para calderas de potencia superior a 70 kW. Combustible Se debe tener en cuenta las propiedades del combustible disponible y su coste. Los parámetros a considerar son los siguientes:     

Poder calorífico Humedad Contenido en cenizas Tamaño y forma Densidad

En cuanto al coste, los pellets y briquetas son los más caros y las astillas y leñas los más baratos. Suministro de combustible La forma de suministro dependerá del tamaño de la caldera, del tamaño del silo y del tipo de combustible. Los accesos al silo deben diseñarse teniendo en cuenta la forma de suministro del combustible. Autonomía El silo se dimensionará dependiendo de la autonomía que se proyecte para la instalación. Los casos más habituales son:  Una temporada de funcionamiento de la instalación. La recarga se realiza una vez al año.  1,5 veces el volumen del camión de suministro. Se ha de recargar el silo con un camión completo antes de que se acabe el combustible.  2 semanas de consumo máximo de combustible (volumen mínimo exigido por el RITE). Grado de automatización En la caldera diversos sistemas pueden ser automáticos:  Alimentación de combustible  Limpieza de intercambiador de calor  Extracción de cenizas


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 Sistema de control y telegestión Además de disponer de los dispositivos específicos mencionados en el RITE, las salas de calderas de biomasa deben cumplir las prescripciones generales de seguridad establecidas en la sección SI-1 del Documento Básico SI Seguridad en caso de incendio del Código Técnico de la Edificación (CTE). Como en la instalación de cualquier tipo de caldera, en el caso de las de biomasa hay que tener en cuenta lo que establece la normativa en cuanto a ventilación de la sala de calderas, sistemas de seguridad, chimeneas y sistemas de tratamiento de humos, protección frente a ruido y emisiones.

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9.4.

GEOTERMIA DE BAJA ENTALPÍA

La energía geotérmica es, en su más amplio sentido, la energía calorífica que la Tierra transmite desde sus capas internas hacia la parte más externa de la corteza terrestre. El gradiente térmico entre el núcleo (4.000 ºC) y la superficie de la Tierra (15ºC) origina un flujo de calor hacia la superficie. El objetivo de la geotermia es el aprovechamiento de esa energía calorífica que procede del interior de la Tierra. Se habla de yacimiento geotérmico cuando materiales permeables llenos de agua, sellados por materiales impermeables, interceptan el flujo de calor desde el interior del globo. Un yacimiento geotérmico es el espacio de la corteza terrestre en el que existe un recurso geotérmico que puede ser aprovechado. Se define el recurso geotérmico como la fracción de la energía geotérmica que puede ser aprovechada de forma técnica y económicamente viable. Los recursos geotérmicos se clasifican según la tabla 9.6. El nivel térmico del fluido condiciona claramente su aprovechamiento. En los casos de yacimientos de baja entalpía su utilización más habitual es la calefacción de viviendas y locales cuando las temperaturas se sitúan entre 50 y 100°C. Los fluidos con temperaturas inferiores suelen ser utilizados en instalaciones balnearias, ya que su nivel térmico no permite, en general, su uso en sistemas convencionales de calefacción de viviendas, si bien pueden ser utilizados para otros usos (calefacción de invernaderos, etc.). Recursos geotérmicos

Temperaturas

Tecnología

Muy baja entalpía

5-25°C

Utiliza bomba

25-50ºC

Puede precisar bomba de calor

Baja entalpía

50-100ºC

Convencionales Media entalpía

No convencionales

100-150ºC

Ciclos binarios

Alta entalpía EGS-HDR

>150ºC >150ºC

Ciclos binarios

Supercríticos

>300ºC

Aplicación Usos directos Climatización Usos directos Usos directos Electricidad Procesos Electricidad Electricidad Electricidad Hidrógeno

EGS: Sistemas Geotérmicos Estimulados. HDR: Geotermia de alta temperatura (roca caliente seca) Tabla 9.6. Recursos geotérmicos. Fuente: IDAE

Cuando el flujo de calor que proviene del interior de la Tierra atraviesa los sedimentos permeables más superficiales que albergan aguas subterráneas, confiere a este agua una estabilidad térmica notable, lo que permite extender el concepto de yacimiento de baja entalpía; se habla entonces de yacimientos geotérmicos de muy baja entalpía, con temperaturas de los fluidos –agua subterránea– entre 15 y 22°C, que pueden ser aprovechados para usos de calefacción-climatización, mediante el uso de la bomba de calor que permite aplicar un pequeño salto térmico de niveles de temperatura bajas para aportar calor a temperaturas muy superiores. En ausencia de acuíferos, los materiales del subsuelo que mantienen estable su temperatura pueden aportar calor a un fluido que circula en contacto con ellos. De este modo se amplía el concepto de yacimiento geotérmico de muy baja entalpía al subsuelo poco profundo, en el cual se puede hacer circular a través de una tubería en circuito cerrado un fluido –básicamente agua– que permite extraer calor de los materiales existentes en estos terrenos poco profundos (profundidades en general de metros o decenas de metros y que raramente superan los 250 metros). En todos los sistemas basados en recursos geotérmicos de muy baja entalpía, tanto aprovechando las aguas subterráneas como el calor del subsuelo, se plantea


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como una opción de gran interés la utilización reversible de la instalación, aportando calor en invierno y frío en verano a las instalaciones a climatizar. El aprovechamiento de la energía geotérmica presenta grandes ventajas desde el punto de vista medioambiental: reduce el consumo de combustibles fósiles; reduce la dependencia energética y no requiere transporte de energía a grandes distancias. Presenta como principal inconveniente que los yacimientos hidrotermales llevan disueltos gases y otras sustancias químicas (mercurio, compuestos de azufre) que hay que tratar adecuadamente para evitar que contaminen la atmósfera y las aguas circundantes. Otro inconveniente es el impacto sobre el paisaje. Sin embargo, la tecnología actual minimiza estos riesgos. 9.4.1. USOS DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA La energía geotérmica tiene tres principales aplicaciones:  Generación de electricidad. Para la generación de electricidad es necesario que el fluido se encuentre a alta temperatura. Existen tres tipos de centrales geotérmicas: plantas de vapor seco, que utilizan un flujo directo de vapor geotérmico; plantas flash, que utilizan una mezcla de agua líquida y vapor, y plantas de ciclo binario, que funcionan como sistemas de circuito cerrado que aprovechan recursos de media temperatura. Se utiliza una u otra tecnología según las características termodinámicas del fluido, la fase en que se encuentra y su salinidad, entre otros factores.  Usos térmicos. Constituyen la aplicación más habitual de la energía geotérmica.  Utilización en cascada. Consiste en aprovechar la energía disponible en el fluido caliente tras haber sido ya utilizada, beneficiándose de los distintos niveles térmicos requeridos para los diferentes usos. De este modo, tras la producción eléctrica, el fluido aún caliente puede ser aprovechado para calefacción de viviendas. Tras este segundo uso, el fluido puede ser aprovechado para otros usos con menores requerimientos de temperatura (calefacción de invernaderos, etc.).

Figura 9.23. Esquema de utilización en cascada de la energía geotérmica

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El uso directo del calor es una de las aplicaciones más antiguas y comunes de la energía geotérmica para balnearios, calefacción residencial, agricultura, acuicultura y usos industriales. Para climatización y refrigeración se utiliza la energía geotérmica de muy baja temperatura, mediante el uso de bomba de calor. A nivel mundial, se puede clasificar la utilización directa de la energía geotérmica en dos ámbitos claramente diferenciados: el sector industrial y el sector residencial y de servicios. 9.4.1.1.

Sector industrial

El vapor, calor o agua caliente de las reservas geotérmicas, puede ser empleado en aplicaciones industriales donde las instalaciones son grandes y requieren un gran consumo de energía. En procesos industriales las diferentes formas de utilización de este calor incluyen: procesos de calefacción, evaporación, secado, esterilización, destilación, lavado, descongelamiento y extracción de sales, etc., aplicado en la industria de producción de papel y reciclado, procesamiento de celulosa, tratamientos textiles, industria alimenticia, pasteurización de leche, extracción de productos químicos, recuperación de productos petrolíferos, extracción de CO2, bebidas carbonatadas, etc. 9.4.1.2.

Agricultura

Invernaderos Un empleo muy común de la energía geotérmica de baja temperatura es en agricultura. Las aplicaciones agrícolas de fluidos geotermales son para calefacción a campo abierto e invernaderos. Una solución óptima de aplicación de la geotermia en campo abierto consiste en combinarla calefacción del suelo con el regadío, controlando cuidadosamente la composición química de las aguas termales utilizadas con este fin. El invernadero debe asegurar unas condiciones óptimas para el desarrollo de las plantas. La calefacción del invernadero puede realizarse conjuntamente con circulación forzada de aire mediante intercambiadores de calor, tuberías de circulación de agua caliente (bien dentro o sobre el suelo), radiadores o una combinación de todos estos métodos. Acuicultura La acuicultura es la técnica controlada de cría de especies acuáticas vegetales y animales. El nivel térmico exigido por las piscifactorías permite el aprovechamiento de los yacimientos de baja entalpía. El sistema de piscifactorías consiste en la crianza de peces, crustáceos o mariscos en varias piscinas artificiales escalonadas, controlando así el crecimiento de cada especie, manteniendo artificialmente una temperatura óptima, la alimentación y la calidad del agua. De esta forma, se consigue cultivar especies exóticas, mejorar la producción e incluso duplicar el ciclo reproductivo. Las temperaturas que se requieren para las especies acuáticas son del orden de 20-30°C. Las piscinas de cría y engorde pueden ser a cielo abierto o instalarse bajo cubierta, con el fin de reducir las pérdidas de calor hacia el exterior. El tamaño de la instalación dependerá de la temperatura del recurso geotermal y de la requerida por la especie. 9.4.1.3.

Sector residencial y servicios

El uso de sistemas geotérmicos de baja entalpía para el sector residencial y de servicios permite prescindir del gasóleo, gas natural o gases licuados derivados del


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petróleo (propano y butano). La demanda térmica de la energía consumida en el sector residencial y de servicios es relativamente baja, lo que permite utilizar agua geotérmica de baja entalpía y devolverla a baja temperatura, incrementando así el potencial geotérmico del recurso e induciendo a un ahorro de energía, que podrá aprovecharse para otras aplicaciones. El sistema de climatización geotérmico funciona correctamente con cualquier instalación de calefacción actual, bien sea por radiadores, suelo radiante o aire. Calefacción de Distrito, “District Heating” El aprovechamiento directo de los recursos geotermales permite diseñar un sistema de calefacción centralizado, más comúnmente conocido como “district heating”. El sistema satisface la demanda de calor de un conjunto de usuarios, distribuidos dentro de una zona extensa, del tamaño de un barrio, distrito o incluso una ciudad entera. Inicialmente solo se satisfacía la demanda de calefacción pero posteriormente se amplió al suministro de refrigeración. A finales del siglo XIX, comenzaron a funcionar pequeñas instalaciones que atendían las necesidades de áreas muy limitadas, como zonas industriales o comerciales. Su aplicación comienza a aumentar a partir de los años 30 en Estados Unidos y en Europa, aunque su gran expansión se produce en los años sesenta. En general, los sistemas de calefacción por distrito pueden ser abiertos o cerrados. El sistema cerrado constará de un circuito de calefacción con tubería de impulsión y una tubería de retorno, mientras que el circuito que distribuye ACS es un sistema abierto, porque una vez utilizado el fluido calor portante lo vierte al sumidero. La mayoría de este tipo de instalaciones son sistemas cerrados. Existen proyectos en los que el agua geotérmica es conducida bajo las carreteras y caminos vecinales, para mantenerlos libres de agua helada o incluso para dispersar la neblina de los aeropuertos. Bomba de calor (GHP) En países con niveles altos de radiación solar, como es el caso de España, la temperatura del suelo a profundidades de más de 5 metros es relativamente alta (alrededor de 15 grados). A esas profundidades, los materiales geológicos permanecen a una temperatura estable, independientemente de la estación del año o de las condiciones meteorológicas. Esta estabilidad geotérmica es la que permite que en verano el subsuelo esté considerablemente más fresco que el ambiente exterior. Mediante un sistema de captación adecuado y una bomba de calor geotérmica se puede transferir calor de esta fuente de 15°C a otra de 50°C, y utilizar esta última para la calefacción doméstica y la obtención de agua caliente. Del mismo modo que en invierno la bomba geotérmica saca el calor de la Tierra, en verano se extrae mediante el mismo sistema de captación, transfiriéndolo al subsuelo y refrigerando así el edificio. En el caso de contar con piscina se puede aprovechar el calor sobrante para calentar el agua y alargar así la temporada de piscina. Una instalación de este tipo puede proporcionar a una vivienda con jardín una climatización integral de la casa y el suministro de agua caliente sanitaria. 9.4.1.4.

Secado de pavimentos

En diferentes ciudades la energía geotérmica es empleada para evitar la formación de placas de hielo en los pavimentos (habitualmente mediante tuberías enterradas a ras del suelo por las que circulan agua caliente o vapor). Ejemplos: Reikiavik, en Islandia; Fukui, en Japón; Villa Copahue, en Argentina.

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9.4.2. LA ENERGÍA GEOTÉRMICA EN ESPAÑA La energía geotérmica en España presenta todavía una escasa penetración, a pesar de su gran potencial de utilización, tanto para usos térmicos a escala doméstica como a escala industrial para generación de energía eléctrica.

Figura 9.24. Aplicaciones de uso directo energía geotérmica. Año 2010. Fuente: IDAE

Tras la crisis energética de 1973 el Instituto Geológico y Minero de España (IGME) llevó a cabo la evaluación del potencial geotérmico del subsuelo en España, elaborando en 1975 el Inventario General de Manifestaciones Geotérmicas en el Territorio Nacional. La siguiente tabla recoge la síntesis de la información elaborada. Almacenes sedimentarios profundos Baja temperatura (T < 100 ºC)

Zonas intramontañosas y volcánicas

Media temperatura (100 ºC < T < 150 ºC) Alta temperatura (T > 150 ºC)

Cuenca del Tajo: Madrid Cuenca del Duero: León, Burgos y Valladolid Área Prebética e Ibérica: Albacete y Cuenca Galicia: zonas de Orense y Pontevedra Depresiones catalanas: Vallés, Penedés, La Selva y Ampurdán Depresiones internas de las Cordilleras Béticas: Granada, Guadalix, Baza, Cartagena, Mula, Mallorca Canarias: Isla de Gran Canaria Cordilleras Béticas: Murcia, Almería, Granada Cataluña: Vallés, Penedés, La Selva y Olot Galicia: áreas de Orense y Pontevedra Pirineo Oriental: zona de Jaca-Sabiñánigo Islas Canarias: Tenerife, Lanzarote y La Palma

Tabla 9.7. Zonas de interés geotérmico según el IGME. Fuente: IDAE

Con los conocimientos de los recursos geotérmicos en España, disponibles a finales de los 80, se plantearon distintos proyectos basados en el uso de la energía geotérmica para calefacción (viviendas, locales, agricultura) que utilizaban fluidos con elevadas salinidades a profundidades del orden de los 2.000 m. Aquellos proyectos no tuvieron rentabilidad económica en una situación de clara competencia con otras fuentes de energía, cuyos precios en aquella época no eran excesivamente elevados. Tan solo cabe destacar la puesta en marcha de pequeños proyectos geotérmicos en instalaciones ligadas a balnearios partiendo del propio fluido termal. Actualmente, en España sólo existen proyectos de aprovechamiento geotérmico para uso térmico en instalaciones balnearias, calefacción en invernaderos o para calefacción de viviendas con una potencia en el año 2006 de 22,3 MWt, lo que supone 8,3 ktep para aplicaciones directas del calor, según fuentes del EurObserv’ER.


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Las instalaciones de bombas de calor, muy habituales en otros países europeos, no han tenido en España hasta la fecha el empuje necesario para su despegue, motivado por las críticas que algunos sectores plantean a este tipo de aprovechamientos en función de su consumo de energía eléctrica. 9.4.3. TECNOLOGÍAS PARA APROVECHAMIENTOS GEOTÉRMICOS DE BAJA Y MUY BAJA TEMPERATURA Las temperaturas de trabajo favorables para el aprovechamiento directo del calor geotérmico incluyen un rango muy amplio entre 30 y 150 ºC, rango al que corresponden los recursos geotérmicos de baja y media entalpía, habitualmente localizados a profundidades entre 1.500 y 3.500 m, y los someros o de muy baja entalpía, incluidos los acuíferos convencionales con aguas a temperaturas de 15 a 20 ºC. En esta unidad nos centraremos en las tecnologías existentes en geotermia somera. Dada su estabilidad térmica frente a los cambios estacionales, el subsuelo, en sus primeros 100-200 m, resulta un medio adecuado para proporcionar y almacenar energía térmica. De hecho, a 10-20 m de profundidad, su temperatura se mantiene prácticamente constante, incrementándose según el gradiente geotérmico al aumentar la profundidad (3 ºC cada 100 m). Las tecnologías para aprovechar esta energía almacenada en los primeros metros de la corteza terrestre son básicamente dos:  Bomba de calor geotérmica, o bomba para calor de fuente terrestre (GHP: Geothermal Heat Pump).  Almacenamiento subterráneo de energía térmica (UTES: Underground Thermal Energy Storage). En ambos casos, las tecnologías desarrolladas para aprovechar el calor del subsuelo son función de la accesibilidad del recurso geotérmico, y pueden clasificarse en dos tipologías principales que, a su vez, incluyen diferentes subtipos:  Circuitos abiertos, basados en el uso de aguas subterráneas, que suponen la captación de agua de un acuífero para su aprovechamiento. En este caso, el agua subterránea es el medio de transporte del calor.  Circuitos cerrados, cuyo fundamento es el empleo de un fluido – básicamente, agua con algún aditivo–, para extraer el calor de los materiales existentes a poca profundidad en el subsuelo. Implican la instalación de un intercambiador en el terreno para el aprovechamiento energético, cuya pared separa el fluido termoportador de la roca y del agua subterránea. 9.4.3.1.

Bomba de calor geotérmica

La bomba de calor geotérmica extrae calor del subsuelo a una temperatura relativamente baja, aumentándola, mediante el consumo de energía eléctrica, para posibilitar su uso posterior en sistemas de calefacción. Existe la opción de invertir el proceso en verano, inyectando en la tierra el calor absorbido en la refrigeración de la instalación a climatizar. Esta tecnología representa, en la mayoría de los casos, la única posibilidad de aprovechamiento de los recursos de muy baja entalpía (T < 30 ºC), asociados a la denominada geotermia somera y presentes bajo cualquier terreno en cualquier lugar del planeta, que son los que mejor se adaptan a las necesidades de climatización de edificios. Las bombas de calor geotérmicas funcionan del mismo modo que las bombas de calor convencionales (aire-aire y aire-agua), de manera que pueden calentar, refrigerar y, si están adecuadamente equipadas, proporcionar agua caliente sanitaria, pero con mayor eficacia que éstas.

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Para seleccionar el sistema que permita obtener un óptimo rendimiento con los mínimos costes posibles deben considerarse los siguientes aspectos: geología e hidrogeología del terreno, dimensiones y uso de la superficie disponible, existencia de fuentes potenciales de calor y características de los edificios, en lo que a calefacción y refrigeración respecta. Sistemas abiertos Se caracterizan porque el portador del calor (el agua subterránea) fluye libremente en el subsuelo y actúa, además de como fuente de calor, como medio para el intercambio del mismo. En la mayoría de los casos son necesarios dos sondeos –explotación mediante doblete de sondeos–, uno para extraer el agua subterránea y otro para reinyectarla en el mismo acuífero del que se obtuvo. El sondeo de captación, equipado con una bomba sumergible, conduce el agua subterránea hasta la bomba de calor, desde donde, una vez enfriada tras extraer su energía, se devuelve al acuífero de origen o se vierte a un cauce superficial. Estos sistemas, bastante difundidos en España, sobre todo en zonas con acuíferos aluviales con buenas productividades y piezometrías someras, son sencillos, con bajos costes de inversión y elevados rendimientos.

Figura 9.25. Diagramas de funcionamiento de una bomba de calor geotérmica con sondeos de captación de agua (sistema abierto). Fuente: Llopis Trillo et al., 2008

Sistemas cerrados Se basan en el empleo de intercambiadores enterrados, con un fluido termoportador en su interior que cede la energía del subsuelo a la bomba y viceversa. Por tanto, es el fluido que circula por el intercambiador en circuito cerrado el que se lleva a la bomba de calor y no el agua subterránea. La aplicación de estos sistemas requiere una cierta calidad del agua subterránea. Es necesario el control de parámetros, como el contenido de hierro y el potencial redox, para evitar problemas de corrosión, precipitación y obstrucción de conducciones. Los sistemas cerrados pueden ser de dos tipos: horizontales y verticales. Las tuberías normalmente son de polietileno de 25 a 40 mm de diámetro. El líquido de intercambio térmico suele ser agua o agua glicolada.


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Horizontales Los circuitos cerrados con intercambiador de calor horizontal son los sistemas cerrados más fáciles de instalar, si bien, en ocasiones, están sujetos a limitaciones de espacio, por lo que las tuberías se disponen siguiendo un diseño relativamente denso, conectándose en serie o en paralelo (figura 9.26).

Figura 9.26. Sistema cerrado con intercambiador de calor horizontal. Fuente: Mands E.; Sanner B.

En distribuciones con alta densidad de tuberías, lo habitual es retirar completamente la capa superficial del terreno, colocar las conducciones y, finalmente, cubrirlas con la tierra retirada. En lugares donde se dispone de más terreno se prefiere un circuito más amplio, con tuberías situadas en zanjas (figura 9.27-a). Se instalan a una profundidad mínima de 0,90 metros, en disposiciones de 2 a 6 tubos por zanja.

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Figura 9.27. Sistema cerrado con intercambiador de calor horizontal en zanja (a) Intercambiador en bucle (b) Colector en zanja. Fuente: Mands E.; Sanner B.

Los intercambiadores de calor especiales que resultan más adecuados para sistemas que trabajan con bombas de calor para usos en calefacción y refrigeración se basan en la colocación de bobinas de polietileno en el terreno, extendiendo las sucesivas espiras e intercalando tierra seleccionada o arena. Las espiras pueden disponerse horizontalmente, en una zanja ancha (colector Slinky), o verticalmente, en una zanja estrecha (tipo Svec) (figura 9.28). El colector en zanja (trench collector) consiste en varias tuberías de pequeño diámetro se sujetan a las paredes bastante inclinadas de una zanja, a varios metros de profundidad (figura 9.27-b).

Figura 9.28. Sistema cerrado con intercambiadores de calor de tipo bobina. Fuente: Mands E.; Sanner B.

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La radiación solar que incide sobre la superficie terrestre constituye el principal medio de recarga térmica de estos sistemas, por lo que es importante no cubrir la superficie situada por encima de las tuberías situadas en el terreno. Normalmente, estos sistemas tienen un coste inferior al que supone la perforación de sondeos. Sin embargo requieren una considerable superficie con espesores de fácil excavación superiores a 1 metro, además de estar sometidos a importantes variaciones de temperatura y humedad que afectan al rendimiento estacional. Una variante de los sistemas cerrados con intercambiador horizontal son los denominados sistemas de expansión directa, en los que el intercambio térmico se realiza mediante la circulación del fluido refrigerante directamente por el circuito situado en el terreno. Verticales Los sistemas cerrados con intercambiador vertical suponen la perforación de sondeos de profundidad variable (entre 60 y 200 metros) y pequeño diámetro (de 10 a 15 cm), en los que se introducen colectores de calor por los que circula el fluido. El colector más sencillo consiste en un doble tubo. Estos dispositivos verticales de captación de calor se denominan sondas geotérmicas. Los tubos captadores se introducen en los sondeos tras finalizar la perforación. Habitualmente, se instalan tuberías de polietileno o polipropileno, cuyo diámetro varía entre 3/4” (25 mm) y 2” (63 mm), en función del caudal circulante y la longitud del circuito.

Figura 9.29. Sonda geotérmica. Fuente: Llopis Trillo et al., 2008.

Durante el funcionamiento de la bomba de calor geotérmica se registra un descenso de la temperatura del terreno en torno al sondeo. Para reducir las pérdidas de temperatura en los sondeos, éstos deben rellenarse con algún material que permita la transmisión de calor a los tubos captadores situados en su interior, además de la circulación del agua que pudiera haber en el terreno. Lo más recomendable es un relleno de gravas o arenas permeables, o bien con materiales térmicamente mejorados.


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En los casos en que se precisan potencias mayores a las habituales (entre 20 y 70 W/m), pueden emplearse campos de sondas geotérmicas, en número de 4 a 50, con profundidades que oscilan entre 50 y 200 metros, dependiendo de la potencia requerida y de las condiciones geológicas locales.

Figura 9.30. Intercambiadores verticales en sondeos. Sondas geotérmicas. Fuente: Mands E.; Sanner B.

Los colectores de las sondas pueden disponerse junto a las edificaciones o debajo de ellas, o bien, las tuberías pueden conectarse en zanjas en el terreno. Las instalaciones que disponen de bomba de calor acoplada a circuitos cerrados con intercambiadores verticales son de dimensiones muy variadas: desde viviendas unifamiliares con un solo intercambiador hasta grandes edificios que requieren campos con un importante número de sondas geotérmicas. Los tubos captadores pueden instalarse de diversas maneras en el interior del sondeo, pudiendo considerarse dos tipos básicos de intercambiadores verticales: con tubos en U y con tubos coaxiales.  El sistema de tubos en U consiste en un par de tubos unidos en su base mediante un codo de 180º cuyas salidas se conectan al circuito primario de las bombas de calor geotérmicas. Esta configuración es la más utilizada por el bajo coste del material.  El sistema de tubos coaxiales consiste en dos tubos concéntricos de diferente diámetro, aunque puede haber mayor número de tubos colectores.

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Figura 9.31. (a) Tubos captadores verticales en sondas geotérmicas (b) Secciones de diferentes tipos de intercambiadores. Fuente: Mands E.; Sanner B.

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Las principales ventajas de los sistemas verticales son el alto aprovechamiento de la energía térmica y el bajo índice de ocupación. Los altos costes de implantación constituyen el principal inconveniente. Una variante de este sistema son las cimentaciones energéticas, que aprovechan las estructuras de cimentación profunda de los edificios para captar y disipar la energía térmica del terreno. Los propios pilotes de la cimentación actúan como sondas geotérmicas. Los pilotes pueden ser prefabricados o montados in situ, con diámetros entre 40 cm y más de 1 m. En todos o en parte de los pilotes se inserta una red de tubos de polietileno, propileno o PVC, conformados como conductos en U, por los que se hace circular agua con anticongelante, y se conectan en circuito cerrado a una bomba de calor.

Figura 9.32. Sistema de cimentaciones energéticas. Fuente: Llopis Trillo et al., 2008.

La principal ventaja es el ahorro de trabajo y de espacio, pero un inconveniente importante es la dificultad de reparación de los tubos una vez hormigonado el pilote. Por este motivo se suele sobredimensionar el número de pares de tubos captadores. Otros sistemas En este grupo se incluyen los sistemas que no pueden calificarse, de forma categórica, como abiertos o cerrados. Sería el caso de los pozos de tipo columna y de los aprovechamientos de aguas de minas y túneles.

Figura 9.33. Pozo tipo columna. Fuente: Mands E.; Sanner B.

Pozos de tipo columna: El agua se bombea desde el fondo del pozo y, tras abandonar la bomba de calor, se filtra a través de la grava que rellena su anillo (Figura 9.32). Los pozos de este tipo necesitan alcanzar cierta profundidad para que el aporte


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de energía sea suficiente para que el agua no se congele, de modo que, en la mayoría de las instalaciones, las perforaciones tienen varios cientos de metros de profundidad. Aguas de minas y túneles. El agua procedente de grandes obras de tunelación tiene una temperatura constante durante todo el año y es fácilmente accesible. Estas aguas pueden alcanzar temperaturas de hasta 30 ºC. Sistemas tierra-aire Permiten el pretratamiento del aire de renovación del sistema de ventilación de un edificio, mediante su circulación por un conjunto de tuberías enterradas –los denominados pozos provenzales o pozos canadienses–, que permiten, con un mínimo consumo, reducir el salto térmico existente entre el exterior y el interior del edificio. El aire así pre-acondicionado se conduce al recuperador de calor y a las climatizadoras reduciendo la carga térmica de la ventilación de manera notable. 9.4.3.2.

Sistemas de almacenamiento subterráneo de energía térmica (UTES)

En estos sistemas, se almacena calor, frío o ambos bajo tierra. Los métodos de conexión con el subsuelo incluyen, como en el caso de la bomba de calor geotérmica, sistemas abiertos (ATES) y sistemas cerrados (BTES) (Figura 9.33). Almacenamiento en acuíferos (ATES: Aquifer Thermal Energy Storage). Estos sistemas, en los que el agua subterránea es el medio de transporte del calor, se caracterizan por su alta porosidad, su media a baja conductividad y transmisividad hidráulicas y su reducido o nulo flujo de agua subterránea. Son un ejemplo los acuíferos porosos en arenas, gravas y eskers, y los acuíferos fracturados en calizas, areniscas y rocas ígneas o metamórficas. Almacenamiento en perforaciones (BTES: Borehole Thermal Energy Storage). Los almacenes de este tipo incluyen perforaciones y tuberías, y requieren un terreno con alto calor específico, conductividad térmica media y ausencia de flujo de agua subterránea. Sedimentos como esquistos, margas o arcillas; calizas, areniscas y otros; rocas ígneas como granito o gabro, y algunas metamórficas como gneis, son ejemplos de estos sistemas de almacenamiento.

Figura 9.34. Sistemas de almacenamiento subterráneo del calor geotérmico. Fuente: Mands E.; Sanner B.

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RESUMEN  Los grandes desafíos a los que se encuentra sometido el sistema energético nacional, como son la elevada dependencia energética exterior, el aumento de la intensidad energética observada durante los últimos años como consecuencia de la crisis económica, y los compromisos en la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, justifican a escala nacional el fomento del consumo energético procedente de fuentes renovables. A nivel particular, la incorporación de tecnologías de aprovechamiento de las fuentes de energía renovables en las viviendas, industrias y explotaciones en la modalidad de autoconsumo, permitirá sustituir, total o parcialmente, el consumo energético procedente de fuentes convencionales, cuyos precios están en constante aumento. De esta forma, a los motivos medioambientales en el uso de las fuentes de energía renovables se unen los económicos, por los ahorros conseguidos y las razonables amortizaciones que se pueden llegar a alcanzar en estas inversiones.  El aprovechamiento de la energía solar se puede realizar en forma de calor (energía solar térmica de baja y media temperatura) y de electricidad (energía solar térmica de alta temperatura y energía solar fotovoltaica).  La energía solar térmica se puede aplicar en procesos de calentamiento (generación de ACS, calefacción, acondicionamiento de piscinas, y procesos industriales con consumo de calor a baja temperatura) y de refrigeración (acondicionamiento climático fundamentalmente).  Los sistemas EST-BT para obtención de ACS con los más empleados y comercializados. Actualmente su empleo es obligatorio según el DB HE4 del CTE, en cualquier tipo de edificación, para la cobertura de una parte del consumo de ACS. Con diferentes tipologías, básicamente un sistemas ESTBT consta de captadores solares planes, acumuladores de agua caliente, intercambiadores de calor, bombas de circulación (modalidad de circulación forzada), sistema auxiliar de aporte térmico y sistemas complementarios de regulación, control y seguridad.  Los sistemas fotovoltaicos pueden ser aislados de red, conectados a red o híbridos, combinados en este caso con otros sistemas de generación eléctrica. Las partes fundamentales de las que consta un sistema ESF son el generador fotovoltaico, las baterías o acumuladores, el regulador de carga, el inversor o acondicionador y los elementos de protección del circuito. La prescripción normativa respecto a su empleo se encuentra recogida en la DB HE5 del CTE, en la cual se obliga a determinados edificios a incorporar sistemas fotovoltaicos en función de las características específicas de los mismos.  El sector de la energía eólica de pequeña potencia se encuentra en constante aumento debido a la facilidad en el aprovechamiento del recurso eólico normalmente existente y a la tecnología de generación cada vez más consolidada desde el punto de vista técnico. Los aerogeneradores constan, básicamente, del rotor, el generador eléctrico, el sistema de orientación, el sistema de acondicionamiento de potencia y el sistema de protección contra sobrevelocidad.  La energía de la biomasa se puede utilizar sustituyendo las calderas convencionales por calderas de biomasa, que utilizan como combustible leña,


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pellets, briquetas o residuos de la industria agroalimentaria o de la madera. Estas calderas presentan rendimientos elevados y un alto grado de automatización. El precio de la biomasa es inferior al de otros combustibles convencionales.  La energía geotérmica tiene su origen en la diferencia de temperaturas que existe en el interior de la tierra y que origina un flujo de calor hacia la superficie. La energía geotérmica se puede utilizar con fines térmicos en el sector industrial, en agricultura (principalmente en invernaderos y acuicultura), en el sector residencial y servicios y en secado de pavimentos. La principal tecnología para aprovechar la energía almacenada en las capas más superficiales de la corteza es la bomba de calor geotérmica. Mediante circuitos abiertos o cerrados se hace circular el agua subterránea o un fluido termoportador que cede la energía del subsuelo a la bomba de calor.

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1.3.2-UT9 2014-15

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