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INTRODUCCIÓN
Las predicciones realizadas sobre la futura disponibilidad de las energías no renovables y la contaminación ambiental provocada por los combustibles tradicionales (carbón, petróleo y gas natural) favorecen los proyectos que proponen la incorporación de fuentes energéticas renovables y no convencionales. El empleo intensivo de dichos combustibles fósiles en los países industrializados y la consiguiente emisión de gases de efecto invernadero, producen el denominado cambio climático global con su secuela de daños ambientales y socioeconómicos (IPCC 2013, OMM 2012).
La energía solar es uno de los recursos energéticos renovables más importantes con que se cuenta y existe un amplio y confiable conjunto de tecnologías para convertirla y utilizarla como energía térmica (Kalogirou 2009a, Albizzati 2012a, Duffie y Bec-kman 2013). En el año 2014, considerando sólo los equipos solares para calentamiento de agua, se contabilizaba una capacidad para producir 406 GW térmicos en todo el mundo (REN21 2015).
Sin embargo, dados los impactos que provocan la generación y el uso de todas las fuentes energéticas, al evaluar la energía solar se debe analizar en forma completa el sistema de aprovechamiento aplicando el análisis de ciclo de vida (ACV). El ACV es un procedimiento que posibilita evaluar los impactos ambientales debidos a un producto o servicio. Al aplicar este método se deben contabilizar todas las entradas y salidas en todos los procesos que forman parte de su vida útil: desde la extracción de materias primas necesarias para su fabricación hasta su reciclaje y su disposición final (Consoli F. et al. 1993, Ihobe 2009).
En varios trabajos se aplicó el ACV con distintos objetivos y herramientas de cálculo, en los que se determinaron los consumos y beneficios tanto energéticos como ambientales, del calentamiento solar de agua doméstica (Ardente et al. 2005, Rey-Martínez et al. 2008, Kalogirou 2009b, Hang et al. 2012, Koroneos y Nanaki 2012, Greening y Azapagic 2014, Lamnatou et al. 2014). Un equipamiento usado comúnmente para calentar agua en viviendas unifamiliares está compuesto por los colectores solares, el tanque de almacenamiento y las cañerías de distribución del fluido, además de una fuente energética auxiliar.
En este trabajo se calcula en primer lugar el aporte solar y la eficiencia térmica mensual y anual de sistemas solares combinados con electricidad y gas licuado como energías auxiliares. Luego para cada sistema se determinan la energía solar térmica generada y la emisión de gases evitadas al operar con energía solar. A los valores originados por el reemplazo de electricidad y gas licuado, se descuentan la energía consumida y la emisión provocada por los requerimientos propios de la instalación del sistema de captación solar. Finalmente, se estiman los periodos de amortización energética necesarios para recuperar la energía consumida y ambiental que generan los gases emitidos por cada instalación.
Instalaciones y aporte solar a la demanda térmica
El fluido circula por convección natural entre los colectores y el tanque acumulador. Los colectores solares están posicionados en Santa Fe (Argentina), con 30 ° de inclinación al norte geográfico (Fig. 1).
El consumo de agua doméstico se fija en 240 L diarios a 45 °C, siendo la temperatura del agua fría 18 °C durante todo el año. Como se observa en el Cuadro I, son cuatro las instalaciones estudiadas, dos solar-electricidad (SE) y dos solar-gas licuado (SGL), con colectores de placa plana (PP) y de tubos evacuados (TE). Se estima que las instalaciones pueden satisfacer la demanda de una familia de cinco personas y sus características técnicas responden a la oferta comercial existente y a las recomendaciones realizadas por los vendedores a los usuarios.
SE-PP (solar-electricidad, colectores de placa plana) SE-TE (solar-electricidad, colector de tubos evacuados) SGL-PP (solar-gas licuado, colectores de placa plana) SGL-TE (solar-gas licuado, colector de tubos evacuados), T: volumen de agua en el tanque de almacenamiento, A: área total de captación solar, B: ángulo de inclinación de los colectores solares, FR E: producto del factor de remoción del calor por la eficiencia óptica de los colectores solares, FR Uc: producto del factor de remoción por el coeficiente total de pérdidas de calor de los colectores solares
Cuadro I Instalaciones combinadas para calentamiento de agua
Dos de las instalaciones combinadas para el calentamiento poseen dos colectores solares de placa plana de 1.8 m2 cada uno, el tanque acumulador es de 240 L y su vida útil de 20 años. En las otras, el colector solar es de tubos evacuados de 2.8 m2, posee un tanque de 200 L y 15 años de utilidad.
Cada una de las instalaciones se caracteriza por el volumen de agua en el tanque (T), el área de colección (A), la inclinación de los colectores respecto al plano horizontal (B) y los parámetros propios de éstos. Dichos parámetros (FR E y FR UC) están asociados a E, la eficiencia óptica, FR el factor de remoción del calor y UC el coeficiente total de pérdidas de calor, los que se determinan conforme a las normas vigentes (ANSI/ASHRAE 93 2010).
En los colectores solares planos adoptados la radiación se transmite por una cubierta de vidrio, es recibida y absorbida por una placa de acero inoxidable que la transforma en energía térmica. Esta energía se transfiere por conducción en la placa y se incorpora al fluido. El agua circula por canales conformados entre la placa superior e inferior, aumentando su temperatura. Entre la placa y la cubierta hay una cámara de aire. Se utiliza un material aislante en el fondo y en los laterales. Se coloca una caja de chapa galvanizada que contiene todos los elementos que conforman el colector.
En los otros colectores solares el agua circula por un conjunto de tubos evacuados dispuestos en paralelo. Se propone para cada tubo dos conductos concéntricos de vidrio borosilicato separados por una cámara al vacío. La radiación se transmite en el tubo exterior y se absorbe en el tubo interior, el que posee un recubrimiento superficial especialmente desarrollado para tal efecto. El fluido circula en U, entrando y saliendo del tanque acumulador por el extremo superior del tubo interno. Ambos tubos están cerrados por fusión en el extremo inferior y el colector tiene además una chapa reflectora debajo del conjunto de tubos de vidrio evacuados.
Para calcular la radiación solar diaria promedio recibida por los colectores se necesitan conocer los valores de los componentes de la luz directa y difusa de la radiación en el plano horizontal. La radiación se contabiliza como energía por unidad de tiempo y por unidad de área de colección. La radiación solar global promedio diario mensual (H), es la suma de la radiación directa del sol (HD) y la radiación difusa del cielo (Hd):
Las componentes de la luz directa y difusa de la radiación solar horizontal en cada mes del año se obtienen para la ciudad de Santa Fe de la base de datos del Centro de Datos de Ciencias Atmosféricas (NASA 2014). La radiación solar total que reciben los colectores (HT) es la suma de la radiación directa, la radiación difusa recibida desde el cielo y la radiación difusa reflejada por el suelo.
La radiación solar promedio diaria que incide sobre los colectores se obtiene por el modelo propuesto por Liu-Jordan y extendido por Klein. Luego, HT es el producto de la radiación global horizontal multiplicada por un factor R, que indica la variación de la radiación sobre los colectores respecto a la que incide en el plano horizontal (Duffie y Beckman 2013):
El Cuadro II presenta los valores de la radiación solar global promedio mensual en plano horizontal y los resultantes del cálculo sobre los colectores solares posicionados a 30° al norte geográfico.
H (radiación solar global sobre plano horizontal) HT (radiación solar total sobre plano inclinado de captación)
Cuadro II Radiacion solar global horizontal y total mensual sobre los colectores solares
La demanda de energía térmica mensual (Q) en las instalaciones se calcula con el volumen de agua consumido (V), la densidad del agua (p), el calor específico del agua (c), la temperatura del agua caliente (Tc) y la temperatura del agua fría (Tf):
El aporte de la energía solar a la demanda en las instalaciones combinadas se determina con el método de la carta F (Duffie y Beckman 2013). En este método la fracción de la energía solar aportada en cada mes (f), se determina con:
4
En la expresión (4), X relaciona la cantidad de radiación solar incidente sobre los colectores con la demanda térmica, mientras que Y es el cociente entre las pérdidas de energía del sistema y la citada demanda. Estos parámetros se corrigen considerando los valores de la temperatura del agua caliente, el volumen de agua en el tanque, la eficiencia óptica y el factor de remoción de calor del colector solar.
La fracción anual aportada por la energía solar a la demanda térmica (F) resulta de una sumatoria aplicada para los doce meses del año:
A su vez, la eficiencia térmica anual de cada instalación solar (Et) se calcula como el cociente entre la energía solar aportada y la radiación total solar sobre los colectores en los "n" días de cada mes:
Los resultados obtenidos mediante la aplicación del método de la carta F se muestran en el Cuadro III, mientras que en el Cuadro IV se visualizan los aportes solares y las eficiencias térmicas anuales que se han analizado para las instalaciones. Las diferencias que se verifican en dichos cuadros se deben a que los colectores de placa plana tienen menor aporte solar y eficiencia térmica que los de tubos evacuados en los meses más fríos, debido a que es mayor el coeficiente de pérdidas de calor.
SE-PP (solar-electricidad, colectores de placa plana) SE-TE (solar-electricidad, colector de tubos evacuados) SGL-PP (solar-gas licuado, colectores de placa plana) SGL-TE (solar-gas licuado, colector de tubos evacuados), X: parámetro relacionado con las pérdidas térmicas de los colectores solares, Y: parámetro que depende de la energía solar absorbida de los colectores solares, f: fracción mensual de la demanda térmica que es cubierta con energía solar
Cuadro III Aplicación mes a mes del método de la carta F en las instalaciones
SE-PP (solar-electricidad, colectores de placa plana) SE-TE (solar-electricidad, colector de tubos evacuados) SGL-PP (solar-gas licuado, colectores de placa plana) SGL-TE (solar-gas licuado, colector de tubos evacuados)
Cuadro IV Radiación incidente, aporte solar y eficiencia térmica anual de las instalaciones
Análisis de ciclo de vida en las instalaciones
En el ACV de las instalaciones solares se deben contemplar aquellas actividades que se llevan a cabo y que tienen la relevancia suficiente (Fig. 2). El inventario del ciclo de vida o relevamiento de las entradas y salidas sienta las bases para evaluar los impactos ambientales. En dicho inventario se utilizan dos categorías: el consumo energético (la energía consumida en la obtención de las materias primas, fabricación, distribución, uso y fin de vida del producto) y el cambio climático (medida de la temperatura que muestra en promedio un aumento en la temperatura de la atmósfera terrestre y de los océanos en las últimas décadas). En el calentamiento global se considera el impacto de todos los gases de efecto invernadero en equivalentes de dióxido de carbono.
En cada instalación combinada de calentamiento solar de agua la generación de energía térmica y la mitigación de la emisión de gases se calculan comparando cada instalación con otra que usa solamente electricidad o gas licuado. Los valores brutos de la generación térmica y de la mitigación que se deben al aporte solar durante el funcionamiento de la instalación combinada se obtienen con:
En la ecuación anterior, ΣQi es la demanda térmica anual, N son los años de vida útil de la instalación y F es la fracción de la demanda térmica cubierta con energía solar. Respecto a ca, al calcular la energía térmica generada vale uno y es diferente al determinar la mitigación de la emisión según la fuente de energía auxiliar utilizada.
Para calcular ca se emplea información de la emisiones debidas a los combustibles fósiles y que está relacionada con el tipo de generación eléctrica en Argentina (Consejo Mundial de Energía 2004). Las emisiones de gases en la conversión a energía térmica son 0.125 kg CO2 eq /MJ (0.450 kg CO2 eq /kW h) y 0.083 kg CO2 eq /MJ (0.299 kg CO2 eq /kW h) para la energía eléctrica y el gas licuado respectivamente. Estos valores se corrigen considerando una eficiencia en la conversión del 95 % cuando se consume electricidad y del 85 % si el combustible es gas licuado.
Para determinar luego la generación de energía térmica y la mitigación de emisiones netas en cada instalación combinada se restan a los valores brutos, los efectos debidos a los consumos energéticos y a las emisiones de gases en el ciclo de vida correspondientes a la instalación solar y a su funcionamiento (Albizzati 2012b). Entonces dichos valores netos se calculan con:
En cada situación, ei representa la energía consumida o los gases emitidos por unidad de área de colección. En su cálculo se suman las contribuciones asociadas con los colectores solares (ec), con el tanque de almacenamiento (et), con otros materiales como cañerías, aislantes, soportes, pinturas, sellado-res y uniones (em) y con actividades complementarias como transporte, fabricación, montaje y mantenimiento (ef) del dispositivo solar:
Para encontrar el valor de ei de la instalación solar se usan datos de la energía consumida y de las emisiones de los materiales involucrados en cada una de ellas (Alcorn 2003, Hammond y Jones 2011).
Finalmente, como se sustituyen fuentes tradicionales por energía solar, es apropiado calcular los periodos de amortización energética y ambiental de las instalaciones. El periodo de amortización energética puede definirse como el tiempo de funcionamiento necesario para recuperar la energía consumida en el ciclo de vida de cada instalación, mientras que el periodo de amortización ambiental se considera en forma semejante, pero incorporando la cantidad de gases de efecto invernadero.
Los periodos de amortización energética y ambiental se determinan en meses con la expresión:
Resultados obtenidos y discusión
Los valores brutos de la generación de energía y la mitigación de emisiones se deben al aporte solar durante la operación de cada sistema y al obtener los valores netos, éstos se descuentan a los valores brutos calculados, propios a cada una de las instalaciones de captación solar adoptadas.
Para determinar los valores que se muestran en el Cuadro V, se siguen los métodos aplicados en un trabajo anterior (Albizzati 2012b). Al calcular el consumo y las emisiones de las instalaciones que usan colectores planos, pinturas, recubrimientos, selladores y uniones, se obtiene que representan el 10 % de la suma de los debidos a los colectores y el tanque. Adicionalmente, para los mismos sistemas, las actividades complementarias representan un 10 % del consumo y las emisiones de todos los elementos que se tienen en cuenta al valorar las instalaciones. En lo relativo al colector de tubos evacuados, ambos porcentajes aumentan al 15 % en lo que respecta a los colectores solares y los restantes se mantienen igual al caso anterior.
Se observa también en el Cuadro V que en las instalaciones SE-PP y SGL-PP los colectores representan el 48.2 % del consumo de energía y el 50.9 % de la emisión de gases, mientras que 7358.8 MJ es el consumo y 674.4 kg CO2 eq es la emisión. Lo anterior al considerar los colectores solares, el tanque de almacenamiento, los materiales varios y las actividades complementarias. En los equipos con tubos evacuados SE-TE y SGL-TE, el colector cubre el 41.0 % del consumo y el 38.0 % de la emisión, el consumo total es 6162.2 MJ y la emisión total es 473.5 kg CO2 eq.
Los cálculos realizados de la generación y la mitigación netas se ven en el Cuadro VI. Resulta que la máxima energía generada al operar con energía solar es 189 161.6 MJ (SGL-PP) y la mitigación máxima es 21 375.2 kg CO2 eq (SE-PP). Cuando se comparan dos instalaciones que usan los mismos colectores se logra una mayor generación de energía térmica con gas licuado, es decir que es mayor el beneficio energético. Sin embargo es superior el beneficio ambiental con electricidad, ya que se obtiene una mayor mitigación.
SE-PP (solar-electricidad, colectores de placa plana) SE-TE (solar-electricidad, colector de tubos evacuados) SGL-PP (solar-gas licuado, colectores de placa plana) SGL-TE (solar-gas licuado, colector de tubos evacuados)
Cuadro VI Energía térmica generada y mitigación de emisiones netas totales en la vida útil
Como se observa en el Cuadro VII, las energías generadas por año y por m2 de captación solar son mayores al usar gas licuado y el colector evacuado (SGL-TE), pero este tipo de colector maximiza las mitigaciones por año y por m2 si se utiliza electricidad como fuente energética auxiliar (SE-TE).
SE-PP (solar-electricidad, colectores de placa plana) SE-TE (solar-electricidad, colector de tubos evacuados) SGL-PP (solar-gas licuado, colectores de placa plana) SGL-TE (solar-gas licuado, colector de tubos evacuados)
Cuadro VII Energía térmica generada y mitigación de emisiones netas por año y por metro cuadrado de colector
Los periodos de amortización energética resultantes están entre 8.1 (SGL-TE) y 12.3 (SE-PP) meses y los de amortización ambiental entre 5.5 (SE-TE) y 12.1 (SGL-PP) meses (Fig. 3). El cociente entre los periodos de amortización ambiental y energética es menor que 1.0, para las instalaciones SE-PP (0.732), SE-TE (0.611) y SGL-TE (0.914). En cambio cuando se usan colectores solares planos y gas licuado (SGL-PP) dicho cociente es 1.100.
Fig. 3 Periodos de amortización energética (▮) y ambiental (
) de las instalaciones. SE-PP (solar-electricidad, colectores de placa plana) SE-TE (solar-electricidad, colector de tubos evacuados) SGL-PP (solar-gas licuado, colectores de placa plana) SGL-TE (solar-gas licuado, colector de tubos evacuados)
CONCLUSIONES
Con el ACV se han calculado indicadores para establecer el impacto energético y ambiental del empleo de energía solar en instalaciones de calentamiento de agua que utilizan electricidad y gas licuado como fuente auxiliar. En los sistemas de captación solar con colectores planos los requerimientos propios de éstos representan el 48.2 % del consumo de energía y el 50.9 % de las emisiones de gases. Mientras que en los equipos con el colector de tubos evacuados los respectivos porcentajes bajan a 41.0 % y 38.0 %.
La máxima energía total neta generada se alcanza en instalaciones con colectores planos y gas licuado (SGL-PP), pero la mitigación neta de las emisiones de gases es máxima con los mismos colectores combinados con electricidad (SE-PP). Debe tomarse en cuenta que, para la electricidad, aquí se han considerado las fuentes de energía primaria de Argentina y que si fueran diferentes, éstas podrían cambiar el impacto ambiental asociado con dicha fuente auxiliar.
Como resultado de los cálculos se pudo verificar que en instalaciones que tienen el mismo tipo de colector solar, siempre es mayor la generación de energía neta funcionando con gas licuado, pero es mayor la mitigación neta con energía eléctrica auxiliar. La utilización de gas licuado y el colector evacuado (SGL-TE) maximiza las energías generadas por año y por m2. Con el mismo colector son máximas las mitigaciones por año y por m2 cuando se emplea electricidad (SE-TE). Los periodos de amortización energética mínimo y máximo son 8.1 (SGL-TE) y 12.3 (SE-PP) meses, mientras que los correspondientes a la amortización ambiental son 5.5 (SE-TE) y 12.1 (SGL-PP) meses.
