INTRODUCCION
El presente texto ha sido elaborado para complementar el módulo "Energías Renovables" que la Universidad Andina Simón Bolívar está implementando en el marco de la maestría "Gestión Estratégica de Energía – Hidrocarburos y Electricidad".
Este curso tiene como objeto brindar al candidato un marco general de las energías alternativas tanto en Bolivia como en otras partes del mundo. Se mostrarán e ilustrarán de manera global la producción principalmente de electricidad a partir de estas fuentes energéticas, así como su estructura e incidencia en el sector energético. De la misma forma, se brindarán los conceptos generales sobre la regulación energética para este tipo de fuentes y los mecanismos que hasta el presente se han implementado para incentivar su utilización.
El curso está orientado desarrollar el pensamiento lógico de los participantes para profundizar sus habilidades relacionadas con la evaluación y generación de ideas. Todo ello con el propósito que los participantes logren predecir, estimar y ponderar los resultados de dichas ideas en la solución de problemas sobre la provisión y consumo de la energía en general y de las energías alternativas en particular.
Las capacidades de los participantes a desarrollar a través del curso son:
El razonamiento, estableciendo relaciones entre conceptos sobre las energías renovables y efectuar hacer deducciones lógicas.
Las funciones ejecutivas, es decir, planificar y organizar conceptos e ideas sobre el desarrollo y `proyectos con energías alternativas.
Conocimientos básicos sobre los aspectos técnicos, económicos y de regulación de las energías renovables.
Al tratarse de un curso especializado de 25 horas académicas dentro de una maestría, y tomando en cuenta que los participantes provienen de diferentes disciplinas, es importante que los contenidos que se viertan permitan a todos adquirir criterios y conceptos para generar nuevas ideas en el uso y aplicación de las fuentes energéticas alternativas.
El curso, en el lapso de una semana, abarcará todos los aspectos tecnológicos, financieros y regulatorios esenciales que están involucrados en las fuentes de energías alternativas.
Los objetivos específicos que se plantea el curso permitirá que los participantes cuenten con:
Conocimientos sobre los principios físicos que rigen las energías alternativas.
Criterios económicos para la promoción de las energías alternativas.
Instrumentos para el diseño y evaluación de políticas y planes que promuevan las energías alternativas en Bolivia.
LA SITUACION DE LAS ENERGIAS RENOVABLES EN EL MUNDO Y AMERICA LATINA
CUADRO 1 INDICADORES MUNDIALES PARA LAS ENERGIAS RENOVABLES – 2015
En el cuadro anterior se muestra para el año 2015 la situación de las energías renovables a partir de las cuales se produce electricidad, agua caliente y biocombustibles para el transporte.
La inversión anual para el año 2014 alcanzó a 270.000 millones de dólares en el mundo y en constante crecimiento desde el año 2004. Entre ese año y 2014, la inversión anual de quintuplicó.
La capacidad instalada de energías renovables para la producción de energía alcanza a 1.711 GW, de los cuales más del 61% corresponden a hidroelectricidad, 21,6% a generación eólica, 10,3% a la generación solar, 5,4% a la bioenergía. La capacidad instalada en geotermia y aprovechamiento solar de forma concentrada por el momento es marginal a nivel mundial. En la siguiente Figura se muestra la participación porcentual de cada una de las fuentes renovables en la producción de electricidad.
Figura 1 ELECTRICIDAD: INDICADORES MUNDIALES PARA LAS ENERGIAS RENOVABLES – 2015
La baja participación de la energía geotérmica así como de la bioenergía en la producción de electricidad se explica por las características de la tecnología. Más adelante veremos que en ambos casos se debe utilizar el principio de Stirling como medio de producción de energía útil y que aquello aún presenta problemas tecnológicos para grandes turbinas a vapor. La energía solar aprovechada bajo concentradores todavía presenta problemas tecnológicos no resueltos, ya que se trata de procesos a muy altas temperaturas, por lo tanto, las pérdidas son enormes.
La producción de calor para agua caliente y en consecuencia también para climatización de ambientes también ha tenido un crecimiento importante como se puede observar en el Cuadro 1 anterior, cuadriplicándose la potencia instalada.
Finalmente, la producción de biocombustibles para el transporte es otra fuente renovable que ha venido creciendo a nivel mundial. Las fuentes renovables y que se explotan comercialmente han crecido durante los últimos 10 años de forma considerable.
Figura 2. ELECTRICIDAD: CAPACIDAD INSTALADA MUNDIAL EN GW AL 2014
En la Figura 2 se muestra el crecimiento de la energía solar fotovoltaica y la generación eólica para producción de electricidad. Ambas tecnologías han crecido casi de forma exponencial. La energía eólica ha crecido 7 veces desde el año 2004 y la energía solar fotovoltaica casi 5 veces.
La energía eólica presenta precios de producción de electricidad muy parecidos a los precios actuales de mercado, sobre todo si se trata de generación eólica de gran escala. Aún no sucede aquello con la generación fotovoltaica, cuyos precios promedio de producción son todavía muy elevados frente a los precios de producción con gas natural, carbón o energía nuclear. Sin embargo, a pesar de ellos se puede notar un crecimiento sustancial entre el año 2004 al 2014.
Cuadro 2 TASA DE CRECIMIENTO ANUAL DE LA CAPACIDAD INSTALADA MUNDIAL
ELECTRICIDAD | 2004-2014 | ||
CAPACIDAD INSTALADA SIN HIDRO | 67% | ||
CAPACIDAD INSTALADA CON HIDRO | 11% | ||
HIDRO | 5% | ||
BIO ENERGIA | 16% | ||
GEOTERMIA | 3% | ||
SOLAR FV | 671% | ||
SOLAR CONCENTRADOR | 100% | ||
EOLICA | 67% | ||
AGUA CALIENTE SOLAR | 33% | ||
TRANSPORTE | |||
ETANOL | 23% | ||
BIODIESEL | 114% | ||
La tecnología fotovoltaica es la fuente con una tasa de crecimiento muy elevada, de un año al otro, de un año al otro la capacidad instalada quintuplica como se dijo anteriormente. La segunda fuente importante en crecimiento es el biodiesel y luego la solar concentrador. La hidroelectricidad crece de un año al otro con un modesto 5%. Estas tasas de crecimiento hay que tomarlas como referencia ya que la hidroelectricidad tiene más de 1.055 GW instalados, contra la fotovoltaica que apenas alcanza a 177 GW.
Figura 3. INVERSIONES EN ENERGIAS RENOVABLES EN BILLONES US$
En la Figura 3 se muestra la evolución de las inversiones anuales en energías renovables desde el año 2004. En el año 2004, la inversión en energías renovables alcanzó a 45.000 millones de dólares, de los cuales 36 mil millones de dólares correspondían a los países desarrollados y 9 mil millones de dólares a los países en desarrollo. En el año 2014, las inversiones alcanzaron a 270.000 millones de dólares de los cuales un poco más de la mitad corresponden a los países desarrollados y el resto a los países en desarrollo.
Sin embargo, el año 2011 fue en el cual la inversión alcanzó su máximo para luego decaer y posteriormente recuperarse. Mientras las inversiones en energías renovables es creciente en los países en desarrollo, las inversiones de los países desarrollados es la que ha sufrido una reducción importante. Existen diversos factores que han provocado este descenso, como por ejemplo las reducciones en las remuneraciones de las energías renovables en España como efecto de las políticas implementadas en su momento.
En la Figura 4 se muestra la situación de las políticas energéticas sobre renovables a nivel mundial. Se puede observar que la mayoría de los países del planeta han adoptado políticas sobre las energías renovables y simultáneamente se han impuesto metas a cumplir. Para el caso boliviano, si bien no existen políticas de energías renovables, el país se ha impuesto metas para alcanzar la participación de las energías renovables en un 10% sin incluir la hidroelectricidad.
Figura 4. PAISES CON POLITICAS Y METAS EN ENERGIAS RENOVABLES
Sólo en el continente africano y parte de Medio Oriente aún no se han tomado políticas y metas para el desarrollo de las energías renovables.
En la Figura 5 se muestra las políticas y metas en energías renovables para los países en desarrollo. Se observa que para el año 2004, México, Brasil y la Argentina para América Latina ya contaban con políticas sobre las energías renovables y en Asia, la China y la India. Entre los años 2005 y 2010, los países de la Comunidad Andina en América Latina adoptaron políticas propias sobre energías renovables, y en el caso de Asia, todos los países que fueron parte del bloque soviético, incluyendo Rusia.
Figura 5. PAISES EN DESARROLLO CON POLITICAS Y METAS EN ENERGIAS RENOVABLES
Figura 6 MUNDO: PAISES CON POLITICAS ESPECIFICAS 2014
La Figura 6 muestra algunas de las políticas que han sido adoptadas por ejemplo para el sector eléctrico e incentivar en este sector las energías renovables. Por ejemplo, una de las políticas más difundidas es el "premio a la tarifa" o "feed in tariff", la cual consiste en pagar la diferencia entre el precio de mercado de la electricidad y los costos de producción con cualquier fuente renovable. Otro mecanismo utilizado son las licitaciones con la finalidad de cumplir metas. Se licitan proyectos con energías renovables sobre la base de precios previamente acordados.
Figura 7 PARTICIPACIÓN DE LAS ENERGIAS RENOVABLES – 2014 PAISES DE LA REGION
En la Figura 7 se muestra la participación de las energías renovables en los países de la región. El Paraguay tiene una alta participación de las energías renovables en su matriz energética (principalmente la producción de electricidad proveniente de la central de Itaipú). La Argentina es el país que presenta en la región la menor participación de las energías renovables a pesar de haber contado con políticas desde el año 2005.
Figura 8 PARTICIPACIÓN DE LAS ENERGIAS RENOVABLES – 2014
América Central es la región que tiene la mayor participación de las energías renovables en el continente americano. La región del Caribe, región de una alta de producción de gas natural, es la que presenta la menor participación de las energías renovables en su matriz energética.
FUENTE: Javier, Francisco et al. 2011. Las energías renovables en el ámbito internacional. Universidad Complutense de Madrid.
En el anterior cuadro se muestra para el año 2009 la participación de las energías alternativas o renovables en la oferta de energía primaria en diferentes partes del mundo.
A nivel mundial, las energías renovables participan con el 13,1% en la oferta de energía primaria total, de los cuales el 75,9% es biomasa, el 17,7% hidroenergía y 6,4% el resto de renovables (solar, eólica, etc.).
Es importante remarcar que los más altos niveles de consumo de energía renovable se produzcan, bajo la forma de biomasa, en los continentes de Africa, América Latina, Asia y China. Uno de los principales usos de la biomasa en estos continentes es en la cocción de alimentos y en el calentamiento del agua.
En cambio, en los países como el Medio Oriente, la OCDE, la participación de la biomasa es mucho menor, haciendo énfasis en otras fuentes renovables.
FUENTE: INTERNATIONAL ENERGY AGENCY-2012
En la figura anterior se muestra el consumo de energía de origen fósil1 (hidrocarburos) y no fósil (biomasa, hidroelectricidad, nuclear) en los países de América Latina.
Para muchos de los países de América Latina, la participación de las energías fósiles es superior al 50% del total del consumo. Las energías no fósiles tienen aún una participación importante en Haití, Guatemala, Paraguay, Costa Rica y Nicaragua. Inclusive en Bolivia, el peso las fuentes no fósiles alcanza a alrededor del 25%.
En la siguiente figura se muestra las importaciones y exportaciones de energía para los países de América Latina. Existe un grupo que es un importador de energía y otro exportador neto.
FUENTE: INTERNATIONAL ENERGY AGENCY-2012
En todo este escenario para América Latina, las fuentes fósiles juegan un rol muy importante y no así las fuentes no fósiles, entre ellas las alternativas.
Por lo general, las energías alternativas han sido utilizadas de forma local como la forma de calor o energía mecánica (hidráulica para molinos de granos) y últimamente transformándola en electricidad.
En el caso boliviano, la participación de las fuentes alternativas (hidroelectricidad, biomasa y energía eólica) en la capacidad instalada de generación de electricidad alcanza al 32%. La energía alternativa predominante es la hidroelectricidad, con una participación al 2013, sobre el total instalado, del 30,1% mientras que la biomasa y la energía eólica, juntas no superan el 2% de la capacidad instalada.
FUENTE: AE. ANUARIO ESTADISTICO 2014
¿POR QUE SURGEN LAS ENERGIAS RENOVABLES?
El atlas anterior muestra las emisiones de CO2 en proporción con la superficie de cada país. Se puede observar que los Estados Unidos, Europa y los tigres del Asia, incluyendo Australia son los principales emisores de CO2, incluyendo el Sudáfrica como dominante en el continente africano.
MUNDO: CRECIMIENTO DE EMISIONES CO2 PER CAPITA POR INGRESOS DE PAISES (en ton CO2 per cápita)
En el Cuadro anterior se muestran las emisiones per cápita de CO2. Los países con mayores ingresos (OECD) son los que emiten mayores cantidades de CO2 per cápita, aunque con un leve disminución entre 1990 y 2011, ello como efecto de sus políticas de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Existe una alta correlación entre ingresos y emisiones de CO2. Es importante observar que los países de ingresos medios tienen una tendencia a mayores emisiones de CO2. Esto se debe a que entre 1990 y 2011 muchos países de bajos ingresos pasaron a ingresos medios, y para lograr su desarrollo, durante la década de los años 90 y 2000, lo hicieron en base al consumo de combustibles fósiles.
Sin embargo, la tendencia a nivel mundial es un crecimiento per cápita de las emisiones de CO2 de 4,2 ton/año a 4,3 ton/año.
BOLIVIA: CRECIMIENTO DE EMISIONES CO2 PER CAPITA PAISES VECINOS
La Figura anterior muestra la situación de las emisiones per cápita en los países vecinos de Bolivia. Todos los países vecinos, e incluyendo Bolivia, presentan una tendencia de crecimiento en sus emisiones de CO2. Los actuales niveles de emisiones per cápita son menores al promedio mundial. Tanto Argentina como Chile son los países vecinos con las mayores emisiones de CO2.
Otro factor a tomar en cuenta es la participación global de las energías renovables en el mundo incluyendo la energía nuclear. Ambas no emiten gases de efecto invernadero y se puede observar que esta participación es bastante modesta en la oferta energética mundial, inclusive en las regiones con mayores ingresos.
PRECIO DEL PETROLEO US$/BARRIL (CORRIENTES) Y CRECIMIENTO ACUMULADO
En la Figura anterior se muestran los precios del barril de petróleo en dólares corrientes. Si este precio osciló durante muchos años alrededor de los 20 dólares por barril, desde el año 2011, el precio ha sufrido fuertes variaciones, sin embargo todas ellas tendientes al alza. El crecimiento de los precios del petróleo está dado por el crecimiento acumulado, el cual da un balance positivo. Se observa en el gráfico la reducción de precios que se muestran durante la gestión 2015, a pesar de dicha reducción de precios, el crecimiento acumulado aún sigue siendo positivo.
PRECIO DEL GAS NATURAL US$/MPC (CORRIENTES)
En la Figura anterior se muestran los precios del gas natural en boca de pozo para los Estados Unidos. Los precios siguen una tendencia al alza como se puede observar en el crecimiento acumulado de los precios. Esta tendencia de crecimiento de los precios no ha sido amortiguada con la última reducción de los combustibles fósiles.
Existen diversas definiciones de las energías alternativas2, sin embargo, la más común está referida a que la fuente es prácticamente inagotable (solar, geotermia), o que hace parte de un ciclo natural (eólica, hidráulica, maremotriz, biomasa) que permanentemente se restablece, si existen en la naturaleza condiciones de equilibrio que permitan la restitución de dichos ciclos. En todos los casos, la cantidad de energía que es aprovechada prácticamente no modifica la reserva existente. A ello se suma otra cualidad, el balance de emisiones de gases de efecto invernadero como el CO2 es cero, (o no emiten CO2 y si lo hacen, éste es parte del proceso de absorción por parte de naturaleza).
Por tanto, sus principales características se definen por la relación que existe entre energía aprovechada (extracción) y la reserva existente la cual prácticamente no se modifica, y por su impacto casi nulo sobre el calentamiento global de la atmósfera.
Sin embargo la hidroelectricidad es un caso especial. Bajo ciertas circunstancias, esta fuente energética puede tener impactos sobre el medio ambiente e inclusive provocar emisiones de CH4 (metano) cuando las aguas son represadas y sumergen grandes cantidades de biomasa. Hoy en la actualidad, existen entidades que pueden certificar (nota de referencia) si una central hidroeléctrica puede ser considerada como fuente de energía renovable si cumple algunos criterios que permitan decidir su impacto en el medio ambiente y principalmente su impacto en el calentamiento global.
De forma general, las fuentes renovables como la solar, eólica, biomasa e hidráulica tienen su origen en el sol, en la estructura de la atmósfera y en los ciclos naturales que se han establecido sobre la tierra para mantener la vida. La energía geotérmica tiene su origen en la formación del planeta, en la presencia de calor proveniente de su centro y en el calor que se forma por efecto del choque de las placas continentales.
Mientras estas condiciones se mantengan en equilibrio, la posibilidad de utilizar estas fuentes energéticas será bastante alta, sin embargo, si se provocan desequilibrios en los ciclos naturales, los cuales provocarán más sequías e inundaciones, fuertes vientos como consecuencia de acentuar el efecto invernadero, esta posibilidad también será cada vez menor.
Las energías renovables, así como cualquier fuente energética, están sometidas a las leyes de la Termodinámica. Es decir que las fuentes renovables no se crean ni desaparecen, sino que se transforman, pero además de transformarse, el balance total es nulo o cero (Primera Ley de la Termodinámica).
Esto se expresa de la siguiente forma:
Fuente Renovable = Energía Útil + Calor (1) Por otra parte, toda transformación cíclica de una fuente energética en energía útil (trabajo) debe involucrar una pérdida de energía, de forma que dicha transformación nunca tiene una eficiencia del 100% (Segunda Ley de la Termodinámica).
La ecuación (1) puede ser escrita de la siguiente forma:
Energía Útil = Fuente Renovable – Calor (2) A su vez, esta ecuación puede ser generalizada de la siguiente forma:
Potencia efectiva = Fuente Renovable – Calor (3) En la ecuación (3) se puede observar que la Potencia Efectiva tiene un valor neto positivo se las pérdidas por calor son menores que el valor de la Fuente Renovable. Por lo tanto, el calor debe ser una porción o porcentaje de la Fuente Renovable, así como también la Energía Útil. Este hecho lleva a escribir la ecuación (3) de la siguiente forma:
Potencia efectiva = COP * Fuente Renovable (4) Donde COP expresa una proporción entre la Potencia Efectiva o también denominada Energía Útil y la Fuente Renovable. COP representa el Coeficiente de Operación (o en inglés Coeficient of Performance) de cualquier equipo o tecnología que convierte una fuente renovable en Potencias efectiva o Energía Útil (electricidad, energía cinética, flujos, etc.). El valor de COP es un dato que puede ser extraído de los ensayos o pruebas que se realizan a los equipos que aprovechan las fuentes renovables y que en muchos casos están ya estandarizados. Por lo general, este coeficiente también es conocido como rendimiento de los equipos que transforman la energía alternativa en electricidad.
Por ejemplo, para obtener electricidad mediante un módulo fotovoltaico que capta la radiación solar, el valor de COP oscila entre 11% a 16%. En una central hidroeléctrica, este valor puede alcanzar hasta el 80% y en una central térmica a base de biomasa, el valor típico de COP oscila entre el 20 al 25%.
En el cuadro siguiente se muestran algunas de las principales expresiones de "Fuente Energética".
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA.
RADIACIÓN SOLAR
La fuente de la radiación solar proviene de una reacción nuclear que se produce en el centro del Sol, donde 4 átomos de Hidrógeno fusionan (se unen) bajo la fuerza que ejerce la gravedad para producir dos átomos de Helio y desprender grandes cantidades de energía, como efecto de la conversión de masa en energía (E = mc2). El Sol actúa como un enorme reactor nuclear de fusión siendo el Hidrógeno el combustible que genera la radiación solar que llega a la Tierra. La cantidad de Hidrógeno existente en el Sol es suficiente para que esta estrella continúe produciendo energía durante los siguientes 5.000 millones de años de forma estable.
La radiación solar está compuesta por ondas electromagnéticas o fotones provenientes del Sol el cual es considerado como un "cuerpo negro" cuya superficie se encuentra a aproximadamente 5.000 °K. La radiación solar incidente (perpendicular) en la parte superior de la atmósfera es aproximadamente 1.360 W/m2 (constante solar). La composición del aire, las partículas suspendidas, el vapor de agua y la presencia de otros gases (He, Ar, CO2, CH4) en la atmósfera provocan una disminución de este valor hasta un 40%, alcanzando la superficie terrestre un valor que oscila entre 600 a 800 W/m2 según la latitud y altitud del lugar.
La radiación solar incidente, a lo largo del día, sobre la superficie de la Tierra depende de la latitud y la época del año. Ello se debe al hecho que el eje de la Tierra se encuentra inclinado 24,5° del plano ecuatorial y del movimiento de translación de la Tierra alrededor del sol.
Si se toma un punto geográfico de la Tierra como un punto de referencia, es posible traducir en ecuaciones geométricas la posición del sol para cada instante a lo largo de un año. En el Anexo 1 se muestran varios sitios web que ilustran esta situación.
Los componentes de la radiación solar son dos. La radiación solar directa y la radiación solar difusa, la suma de ambas producen la radiación solar global.
Radiación Global = Radiación directa + Radiación difusa. La radiación directa es la que proviene directamente del disco solar (y produce sombra), en cambio la radiación difusa proviene de todas partes del cielo y de todas las direcciones. En un nublado, la radiación difusa es la que predomina.
La radiación solar, sobre todo la directa depende de la hora y del día a lo largo del año, es decir, de la posición del sol en un determinado momento. Por otra parte, la radiación solar que es aprovechable es la incide de forma perpendicular a cualquier superficie. Un rayo de sol que incide de forma oblicua cualquier superficie debe ser descompuesto en dos componentes, uno perpendicular y otro tangencial a dicha superficie. La componente tangencial no tiene ningún efecto sobre la superficie, en cambio, la componente perpendicular puede ser absorbida dependiendo de las características de la superficie.
FUENTE: ELABORACION PROPIA
Los datos que se disponen para evaluar el potencial solar son las mediciones de la radiación solar difusa Id sobre una superficie horizontal y la radiación solar global I sobre la superficie horizontal. (5) Pero por otro lado, se tiene que:
(6) Donde ?z es el ángulo zenital del sol. Este valor se obtiene de la siguiente ecuación:
(7) Lo que se quiere saber es la cantidad de radiación solar directa perpendicular a cualquier superficie inclinada S grados sobre la superficie horizontal. La siguiente ecuación permite calcular dicha cantidad:
(8)
Donde cos? se calcula de las ecuaciones de la geometría solar y que se muestran a continuación:
FUENTE: http://www.monografias.com/trabajos16/el-urbanismo/el-urbanismo
Donde ? + h = 90° y para una superficie orientada al norte:
(9)
LA RADIACION SOLAR EN BOLIVIA
La radiación solar en Bolivia tiene características particulares debido a la diversidad de ecosistemas existentes en el territorio nacional.
Una primera constatación del comportamiento de la radiación solar es su variación con la altitud. En las regiones del altiplano, la radiación solar promedio es superior a las regiones de valle y trópico. Ello se debe principalmente a la poca presencia de vapor de agua en las zonas altas, como por ejemplo, el salar de Uyuni. El vapor de agua es un "filtro" que absorbe parte de la radiación solar.
Por otra parte, la presencia de la cordillera de Los Andes determina el perfil de la radiación solar a nivel global. A lo largo de la cordillera, la radiación solar, principalmente en el flanco oeste, sobre la cuenca cerrada de los lagos Titicaca, Poopó y Salar de Uyuni alcanza valores superiores a los 6 a 7 kWh/m2.día. Existen regiones de alta pluviosidad como Todos Santos, el Sillar o La Siberia donde la radiación solar promedio anual se reduce bastante, hasta valores de 2,5 kWh/m2.día.
Otra forma de medir la radiación solar es por el número de horas-sol al día. Por lo general, en la zona andina, el número de horas-sol al año alcanza 2.300 a 2.400 horas. En las zonas tropicales este valor alcanza a 1.600 a 1.800 horas3.
Fuente: Elaboración propias
En la figura anterior se muestra el comportamiento de la radiación solar para la ciudad de La Paz. Se puede observar que existe una variación estacional entre verano e invierno en lo que corresponde tanto a la radiación global cuyo promedio es 6 kWh/m2.día como a la radiación difusa cuyo promedio alcanza a 1,5 kWh/m2.dia. La radiación directa permanece casi constante entre 4 y 5 kWh/m2.día.
Las variaciones diarias que presenta la radiación solar en La Paz se deben principalmente a la presencia de nubosidad por una parte y en los últimos años, debido a la presencia de partículas contaminantes, polvo y CO2.
Fuente: Elaboración propias
En la figura anterior se muestra la radiación solar en la ciudad de Potosí. Los valores promedio se aproximan a los de la radiación solar en La Paz, sin embargo, el comportamiento de la radiación solar directa es mucho más acentuado. Ello se debe principalmente al alto grado de claridad de la atmósfera en dicha ciudad.
Existe una paradoja aparente en el comportamiento de la radiación solar, sobre todo en la región del Altiplano boliviano. En los meses de diciembre, enero y febrero, se presenta el ciclo lluvioso provocado por el hecho que estas latitudes se colocan perpendiculares a los rayos solares alrededor de dichos meses, y por lo tanto la abundancia de nubosidad es bastante alta. Esto debería reducir la radiación solar incidente. Por otro lado, durante el invierno, que corresponde a los meses de mayo, junio y julio se producen los niveles más bajos de pluviosidad, reduciéndose la cantidad de nubosidad y por lo tanto, este aspecto debiera permitir un aumento de la radiación solar.
Sin embargo, se observa que el comportamiento de la radiación global no presenta ese comportamiento. En los meses de verano, la radiación solar global es más alta que la radiación solar global de los meses de invierno. Esto se debe a que la radiación solar global a nivel del suelo sigue exactamente el mismo comportamiento de la radiación extraterrestre, sin que los fenómenos meteorológicos afecten o distorsiones sustancialmente este comportamiento.
Fuente: Elaboración propias
En las poblaciones de San Borja y Villa Tunari, ambas situadas del lado oriental de la cordillera, la radiación solar global alcanza en promedio los 4 kWh/m2.dia y se puede observar que la radiación directa y la difusa prácticamente alcanzan a tener el mismo valor, alrededor de 2 kWh/m2.día. Esto significa que la atmósfera contiene un alto grado de vapor de agua el cual reduce la incidencia de la radiación solar. Este aspecto se puede constatar en la siguiente figura.
Fuente: Elaboración propias
ENERGÍA HIDRÁULICA
FUENTE: www.imagui.com
La energía hidráulica tiene su origen en el ciclo natural del agua, el cual puede ser descompuesto en cinco fases:
1ra. fase: Evaporación de Líquido a Gas, el sol calienta el agua del mar, de los ríos y de los lagos. Al calentarse, parte de esta agua se evapora y forma: vapor de agua.
2da. fase: Condensación de Gas-Líquido, cuando llega a una altura determinada de la atmósfera el vapor de agua se transforma en pequeñas gotas de agua que suben en el aire y forman las nubes.
3ra. fase: Precipitación, cuando las nubes llegan a las zonas más frías, las gotas de agua se agrupan. Entonces caen en forma de lluvia.
4ta. fase: Infiltración, cuando los torrentes y los ríos recogen al agua de la lluvia o del deshielo de la nieve y la transportan finalmente al mar o a los lagos.
5 fase: Escorrentía superficial, el suelo absorbe parte de las aguas caídas y forma las aguas subterráneas que avanzan hasta el océano.
De forma general, el ciclo del agua corresponde a un balance hídrico dado por la siguiente expresión:
Lluvia – Escorrentía – Evaporación – Infiltración= ?almacenamiento/?t (10) Esta ecuación es aplicada a una superficie determinada, por lo general, una cuenca o valle sobre la cual se producen los fenómenos de lluvia, escorrentía, infiltración y evaporación. Si en esta cuenca además se coloca una represa, entonces se puede almacenar agua siempre y cuando la lluvia sea mayor que los otros factores que intervienen en el balance de energía.
Por lo general, estos conceptos se aplican a una cuenca hidrográfica conformada como una unidad natural definida por una divisoria de aguas en un territorio en particular. Cuenca es el territorio que aporta agua de las precipitaciones al río que lo contiene y forma un curso principal del agua que desemboca en un lago o en el mar.
FUENTE: http://acolita.com/calcular-automaticamente-parametros-morfometricos-cuenca-idrisi-arcgis/
Si en un lugar elevado se logra almacenar agua, en realidad se está almacenando energía potencial, la cual podrá ser aprovechada para generar electricidad.
La diferencia de altura genera un flujo de agua del cual se puede extraer energía mecánica y ésta a su vez convertir en energía eléctrica. La fuente de energía por lo tanto es el ciclo de agua en una cuenca donde se produce un valle erosionado por un río.
En este caso la ecuación (4) se escribirá de la siguiente forma:
Qútil = COP * f * g * ?h (11) En estos casos el COP oscila entre 0,75 y 0,85. En realidad la energía potencial del agua es convertida en energía cinética, la cual a su vez, al chocar contra los álabes de una turbina, la convierte energía de rotación. La rotación permite hacer girar un electroimán dentro de una bobina (generador eléctrico) para producir una corriente eléctrica alterna.
Por otra parte, al igual que un sistema fotovoltaico, la energía útil se puede escribir como:
Qútil = Voltaje * Corriente (12) En estos casos, por el tipo de diseño del generador eléctrico, el voltaje puede ser un dato conocido, por ejemplo 380 V y a partir de este dato se calcula la corriente que el generador suministra.
ENERGÍA EÓLICA
El viento viene definido por dos parámetros esenciales que son, su dirección y su velocidad. La dirección del viento y su valoración a lo largo del tiempo conducen a la ejecución de la llamada rosa de los vientos. La velocidad media del viento varía entre 3 y 7 m/seg., según diversas situaciones meteorológicas; es elevada en las costas, más de 6 m/seg., así como en algunos valles más o menos estrechos. En otras regiones es, en general, de 3 a 4 m/seg., siendo bastante más elevada en las montañas
FUENTE: www.ega-asociacioneolicagalicia.es
El viento es producto de la diferencia de temperaturas en la atmósfera entre el Ecuador y los polos, provocadas principalmente por la incidencia de la radiación solar sobre la superficie. Se producen un flujo de aire entre los polos y el Ecuador y por otro lado entre la atmósfera superior y el suelo. Estos flujos son desviados por efecto de la rotación de la Tierra (efecto de Coriolis), los cuales producen los vientos o circulaciones del aire que actualmente se conocen. Por las intermitencias entre el día y la noche, los accidentes geográficos como la presencia de continentes, cordilleras, mares y desiertos, la circulación del viento a nivel del suelo presentará variaciones horarias. Por lo tanto su comportamiento es aleatorio y sólo puede ser medido por variables probabilísticas.
La energía que puede extraerse del flujo de viento viene dada por la siguiente expresión:
Energía útil = COP * � ? * V3 (13) De acuerdo a la expresión (13), la energía útil extraída del flujo del aire depende linealmente de su densidad. La densidad del aire, en altitudes mayores a los 3.500 msnm puede disminuir hasta en un 30%, lo que significa que para velocidades iguales, en altitudes elevadas, la energía útil extraída sería un 30% menor que la energía útil extraída a nivel del mar. Por otra parte, un incremento de la velocidad del viento al doble, significa que la energía útil será 8 veces superior. Ambos factores son determinantes para establecer la cantidad de energía va a ser producida por una turbina eólica.
Si bien la velocidad promedio del viento es un parámetro que sirve para medir el potencial de energía que puede extraerse del viento, este parámetro no es suficiente. Es necesario analizar todo el espectro de vientos, principalmente los vientos de alto valor o contenido energético, cuya duración o probabilidad es baja.
Esto se debe principalmente al hecho que la energía eólica depende de la velocidad del viento al cubo. Si suponemos que el viento sopla a 2 m/s, la densidad del aire sea 1 kg/m3, la energía extraía sería de 4 W/m2. Pero si luego, el viento sopla a 4 m/s, la energía extraída sería 32 W/m2, es decir 8 veces más si la velocidad del viento se duplica.
Si suponemos que en ese lugar sólo existen vientos de 2 y 4 m/s, el promedio de la velocidad sería 3 m/s y por lo tanto la energía promedio extraída sería 13,5 W/m2. Sin embargo si promediamos la energía extraída, (32 + 4)/2 = 18, ésta sería de 18 W/m2 y no de 13,5 W/m2 si sólo tomamos el promedio de la velocidad del viento.
Esto significa que es necesario analizar el régimen de viento no solamente centrando la atención en la velocidad promedio, sino en el promedio de la duración del viento para velocidad por encima del promedio.
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