Energía solar térmica, Roberto Román.

(1)

Corporación de Desarrollo

Tecnológico

Sexta conferencia tecnológica

Roberto Román

09 julio 2008

(2)

Energía Solar y su Utilización en Chile:

Desde lo obvio, a lo menos evidente…

P f R b t R

á L

P f R b t R

á L

Prof. Roberto Román L.

Departamento de Ingeniería Mecánica

Universidad de Chile

A modo de Presentación

A modo de Presentación…

Roberto Román Latorre:

Profesor Asociado de la FCFM

• Roberto Román Latorre:

Profesor Asociado de la FCFM

de la Universidad de Chile (más conocida como “la

Escuela de Ingeniería”).

• Ingeniero Civil Mecánico:

especialidad en termofluidos,

máquinas térmicas, máquinas hidráulicas. Académico en

la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la U.

y

de Chile.

• Especialización en energías renovables:

con especial

énfasis en energía solar Más de 30 años de experiencia

énfasis en energía solar. Más de 30 años de experiencia

en el tema. Actualmente integrante del Directorio de la

ISES

(International Solar Energy Society).

F

d

d E

M i

d

• Formador de EcoMaipo:

como una manera de

propender hacia nuevos modelos de desarrollo. En

particular en el Cajón del Maipo (donde resido).

(4)

Estructura Presentación

• Situación Histórica de renovables en Chile.

• Los años 1980 al 2005.

• Barreras existentes.

• El caso de la Arquitectura:

desde lo evidente a lo

id

t

menos evidente.

• Aplicaciones térmicas:

agua caliente sanitaria;

calefacción de espacios; climatización de espacios

calefacción de espacios; climatización de espacios.

• Sistemas fotovoltaicos:

¿cual es su espacio real en

Chile?

(5)

Energía Solar en el Norte de Chile

• En el Siglo XX e inicios del Siglo XX varios pioneros

• En el Siglo XX e inicios del Siglo XX, varios pioneros

reconocieron el excelente potencial solar del norte de Chile.

Uno de ellos,

Charles Wilson

construyó el primer gran

destilador solar existente en el mundo (1872).

des ado so a e s e e e e

u do ( 8

)

• Esta planta producía agua dulce (20.000 litros al día) por la

destilación solar de aguas salobres. El destilador se ubicó

en

Las Salinas

, muy cerca de la salitrera

Chacabuco

en el

i

d A t f

t

C l

camino de Antofagasta a Calama,

• Esta instalación funcionó desde 1872 hasta

aproximadamente 1914, cuando se construyó el

acqueducto de Toconce a Antofagasta

acqueducto de Toconce a Antofagasta.

• Su superficie útil era de unos 5000 m2.

• El agua producida era para consumo humano, como

también para dar de beber a las numerosas mulas y

caballares que trabajaban en las salitreras.

(6)

Destilador de Charles Wilson

(7)

Energía Solar en el Norte de Chile

• A comienzos del siglo XXth el Instituto Smithsonian

• A comienzos del siglo XXth, el Instituto Smithsonian

construyó y operó un observatorio solar en las cercanías de

Calama. El lugar se llamaba

Moctezuma

.

• En este laboratorio se llevaron a cabo investigaciones

pioneras tanto en la determinación de la constante solar,

como la distribución espectral de la radiación solar. Para

este último trabajo se utilizaba un

bológrafo espectral.

• Este trabajo pionero se realizó bajo la dirección del Dr.

Charles Abbot, y se extendió hasta la década de los años

1930. Desde ese momento se suspendieron las

observaciones por la excesiva contaminación debida a la

fundición de

Chuquicamata

.

(8)

Energía Solar en el norte de Chile

(9)

Energías Renovables en Chile

• A contar de 1950 hasta fines de los años 90 existieron

muchos proyectos pioneros en energías renovables en Chile

y su norte

y su norte.

• Al comienzo el motor fue netamente académico,

destacando la participación de las Universidades Santa

María, Universidad de Chile, Universidad del Norte y

a a, U

e s dad de C e, U

e s dad de

o te y

Universidad de Concepción.

• Pero a contar de la primera crisis del petróleo de 1973,

aparecen significativas iniciativas privadas e industriales.

• Entre los proyectos de la época podemos destacar:

– Cocinas solares en Santiago (IDIEM – U. de Chile, 1958)

– Destilación solar de agua en Quillagua (U. Santa María). 1964.

– Desalinización de agua por congelamiento natural (U. de Chile, 1969-1974).

– Estudios pioneros de Geotermia en el Tatio y Puchuldiza (Comité Geotérmico CORFO 1966-1978)

(Comité Geotérmico CORFO, 1966-1978).

– Obtención de agua a partir de camanchacas (Universidad del Norte, 1964-1990).

(10)

Energías Renovables en Chile

En las iniciativas privadas o con apoyo de empresas también

son destacables:

• Sistema de calentamiento solar de agua en el Hotel de Copiapó (1980).

• Sistema de calefacción solar de Hospital de Combarbalá (1982)

• Sistema de calefacción solar de Hospital de Combarbalá (1982).

• Sistema de calentamiento solar de agua en la carcel de Colina.

• Varios sistemas de calentamiento de agua en Colegios de Santiago.

• Sistema de calentamiento de agua solar en Casa de Cambios de mina El Salvador. Este sistema calienta 40.000 litros de agua al día. El campo de colectores cubre más de 300 m2. Aún en

operación. operación.

• Secado solar de concentrado de cobre en El Salvador. El sistema secaba 250.000 Ton/año (secado natural). Fue reemplazado.

• Una casa solar con calefacción solar pasiva con muro Trombe. Aún ti

operativa.

• Experiencia con cocinas solares en Villaseca (IVa Región). A contar de 1990, aún operativa.

(11)

Energías Renovables en Chile

Campo de colectores de sistema solar de El Salvador

(12)

Energías Renovables en Chile

Todas las experiencias anteriores tuvieron la característica de

ser iniciativas individuales. Rara vez fueron monitoreadas y

menos sirvieron para establecer una política al respecto

menos sirvieron para establecer una política al respecto.

Después vienen los “años negros” para las energías

renovables que son a contar de 1990 y hasta el 2000 Allí el

renovables que son a contar de 1990 y hasta el 2000. Allí el

petróleo se mantuvo porfiadamente en torno a los US$9 a

12 por barril y el interés menguó rápidamente. Además

comenzó a aparecer a nivel mundial el uso masivo del Gas

N t

l

Natural.

Muchas de las instalaciones existentes han fallado

(tí i

t

f lt d

t

ió ) P

l

t bl

(típicamente por falta de mantención). Pero lo notable es

que algunas de ellas siguen operativas.

(13)

Los años 1980 a 1990

Desde la creación de la Comisión Nacional de Energía,

CNE

(1981) por parte de la Dictadura, se estableció que la

política energética del Gobierno era basada exclusivamente

en el mercado. Esto trajo como consecuencia:

• Privatización de las empresas eléctricas Se dividieron en

• Privatización de las empresas eléctricas. Se dividieron en

generación, transmisión y distribución.

• Cero incentivo a energías renovables.

• Ningún responsable para velar por una

política energética

• Ningún responsable para velar por una

política energética

nacional.

La misma estaba en manos del misterioso y

siempre perfecto

Mercado

.

• Incentivos ocultos a combustibles fósiles (exención de

(

impuestos de internación a combustibles fósiles, entre

otros).

A pesar de ello, se realizaron algunos proyectos y la energía

fotovoltaica comenzó a penetrar en variadas aplicaciones.

(14)

Desde 1990 al 2004

Con el regreso a la Democracia, la política existente se

mantuvo a grandes rasgos. Sí existieron algunos pequeños

cambios:

• En la

CNE

se crea el

Programa de Electrificación Rural

(PER)

Este programa busca llevar energía eléctrica a las

(PER).

Este programa busca llevar energía eléctrica a las

cerca de 100.000 familias rurales que no disponían de ella.

• Este programa ha tenido un éxito relativo Se han

• Este programa ha tenido un éxito relativo. Se han

extendido las redes de distribución eléctrica existentes en el

Sur (con un subsidio estatal de hasta 75%) y se instalaron

más de 2000 sistemas fotovoltaicos muy pequeños en el

N t d l

í

Norte del país.

• También se realizaron algunos intentos de instalación de

sistemas microhidráulicos e incluso una central de

gasificación de madera

gasificación de madera.

• Por falta de políticas de mantención y seguimiento, muchos

de los proyectos individuales hoy no operan.

(15)

Desde 1990 al 2004

En 1995 se comienzan a instalar los primeros gasoductos desde Argentina. Se comenten errores gravísimos:

• Al traer el gas directamente desde La Mora a Santiago, el resultado fue seguir concentrando actividad y personas en Santiago y Valparaíso.

ó

• La sensación de tener un combustible limpio, muy abundante y barato hizo que se paralizara cualquier proyecto de generación eléctrica que no fuera con gas.

• A pesar de que el petróleo subió a contar del año 2000 la

• A pesar de que el petróleo subió a contar del año 2000, la

alternativa del gas desplazó el uso de renovables en una serie de proyectos (El Abra).

• No se hicieron inversiones en una planta de Gas Natural Licuado en caso de problemas de abastecimiento desde Argentina

en caso de problemas de abastecimiento desde Argentina.

En el año 2003 advertimos (con CHILESUSTENTABLE) directamente

al Gobierno de que era indispensable comenzar a tener una al Gobierno de que era indispensable comenzar a tener una política de uso masivo de renovables, pues todo indicaba que habrían serios problemas de abastecimiento de gas a contar del 2007, o incluso antes.

(16)

A contar del 2004

A fines del 2004 era evidente que la política de “neutralidad tecnológica y libre operación del mercado” no estaba funcionando. En particular:

• La generación eléctrica, distribución y transmisión de hecho se había concentrado en muy pocas manos.

• Las señales de mercado simplemente habían retardado inversiones.

• No existía ningún movimiento hacia las renovables a pesar de haberse

• No existía ningún movimiento hacia las renovables, a pesar de haberse dictado una Ley de Geotermia el 2003.

Era obvio que la situación existente expulsaba a actores pequeños y los

“grandes” fijaban las condiciones de operación del mercado eléctrico Por grandes fijaban las condiciones de operación del mercado eléctrico. Por indicaciones hechas a partir del proyecto presentado por

CHILESUSTENTABLE, apareció la llamada Ley Eléctrica Corta 1. Esta fijaba

algunas condiciones interesantes:

– A las distribuidoras se les obligaba a comprar la energía eléctrica que produjeran unidades pequeñas.

– El precio de compra estaba ligado al precio de nudo y su distancia al nudo.

– Las centrales de hasta 9 MWe quedaban exentas de pagar peajes de transmisión q p g p j eléctrico.

(17)

A contar del 2004

Como la situación energética (eléctrica) era cada vez más

crítica (aumento de precios al consumidor de más de un

50% en 3 años) se introdujeron nuevos mecanismos de

50% en 3 años), se introdujeron nuevos mecanismos de

incentivo:

• Fondos de

CORFO

(

Corporación de Fomento

) para

• Fondos de

CORFO

(

Corporación de Fomento

) para

incentivar el desarrollo de la ingeniería básica de nuevos

proyectos.

• Fondos

CORFO

a través de otros mecanismos (

(

FONDEF

,

proyectos

INNOVA

) para incentivar el desarrollo de nuevos

proyectos.

También aparece, por primera vez, el interés directo de hacer

eficiencia energética por la creación del

Programa País de

Eficiencia Energética

.

(18)

A contar del 2004

Con la elección de la Presidente Michelle Bachelet aparece explícitamente en su programa de Gobierno el compromiso por fomentar la energías

renovables no convencionales ERNC. La redacción en el programa de

G bi á ti t idé ti l t d l t d l Gobierno es prácticamente idéntica a lo presentado en el proyecto del 2003 de CHILESUSTENTABLE:

• Diversificar fuentes: aumentar la cantidad de fuentes de energía

i i di ibl l t éti d d

primaria disponibles para el sector energético, de manera de asegurar un abastecimiento confiable y menos sujeto a los vaivenes internacionales.

• Promover energías renovables: se hace necesario tener una política

activa en el uso de energías renovables. Por un lado esto asegura la

t t bilid d d l i t l l l t t d sustentabilidad del sistema en el largo plazo y por otra parte ayuda en forma efectiva a disminuir las emisiones de carbono a la atmósfera.

• Política activa de ahorro energético: el uso eficiente de energía es la

forma más económica de ampliar la disponibilidad del recurso.

Por lo tanto esta política explícita implica cambios reales por primera vez desde la creación de la Comisión Nacional de Energía en 1981.

(19)

A contar del 2004

Actualmente se está trabajando en varios ejes importantes:

• Programa País de Eficiencia Energética: el programa ahora

• Programa País de Eficiencia Energética: el programa ahora tiene un presupuesto significativo. Meta es lograr un 5% de ahorro del crecimiento tendencial de consumo energético. Se trabaja en muchos frentes: difusión, etiquetado de productos, a dito ías ene géticas p o ectos piloto

auditorías energéticas, proyectos piloto.

• Ley Corta Eléctrica 3: Tiene por meta de que al menos el 10% de la nueva capacidad de generación eléctrica se realice por

ERNC. Para hacerlo el proyecto contempla una multa por MWh no p y p p generado por esta vía. Este mecanismo es un claro incentivo a que aparezcan proyectos de interés.

• Mecanismo de desarrollo limpio (MDL): Aunque ha partido lento existen proyectos que hacen uso de este beneficio (plantas lento, existen proyectos que hacen uso de este beneficio (plantas de procesamiento de biomasa, proyectos eólicos en construcción).

• Acuerdos de Cooperación: se han firmado acuerdos con Francia y Finlandia para explícitamente promover las energías renovables.

Del acuerdo con Francia está en desarrollo un estudio para promover el uso de energía solar térmica en Chile…

(20)

Los problemas…

Diversos estudios, incluyendo el realizado por Transenergie confirman varios problemas claves:

• Falta de personal capacitado: A todo nivel, desde el instalador, hasta el proyectista e investigador. Falta en especial gente

capacitada en mantención de sistemas.

• Falta de mecnismos de financiamiento: A diferencia de otros sectores, no existen mecanismos básicos de financiamiento.

• Nada hecho para la gente más pobre: La “industria” solar se ha focalizado en las personas con mejores ingresos Su nicho es ha focalizado en las personas con mejores ingresos. Su nicho es típicamente calefacción de piscinas o agua caliente en casas de alto nivel de ingreso. Casi nada se está haciendo para el 42 a 50% de familias que no tienen ningún tipo de sistema de agua caliente

caliente.

• Falta de control de calidad: No existen mecanismos de control de calidad de componentes, sistemas e instalaciones solares

térmicas.

Pero se están realizando algunas iniciativas de interés para solucionar estos múltiples problemas…

(21)

Capacitación

Con el Jülich Solar institute la Universidad Santa María de Chile y Con el Jülich Solar institute, la Universidad Santa María, de Chile y

Concepción se realizó en Enero de 2007 una Escuela de Verano de Energías Renovables para jóvenes universitarios.

Tuvimos 27 alumnos, profesores de Alemania y Chile, cuatro semanas de clases, con la última de ellas de laboratorio y el establecimiento de una red entre los alumnos formados.

(22)

Trabajo con los más pobres

Trabajo con los más pobres…

Con la Municipalidad de La Pintana a través de la Corporación Con la Municipalidad de La Pintana, a través de la Corporación

EcoMaipo estamos en un programa para capacitar gente en secado solar, cocción de alimentos, mejoramiento térmico de viviendas.

En San José de Maipo, con apoyo de FOSIS, hemos trabajado en

secado solar, cocción de alimentos y ahora en calentamiento de agua

agua.

Ahora comenzaremos algunas iniciativas con el Programa País de

Eficiencia Energética.

(23)

Otro trabajo sistemático

Otro trabajo sistemático…

Unir las pocas personas activas en el tema en redes colaborativas Unir las pocas personas activas en el tema en redes colaborativas.

Con la ayuda del Centro de Desarrollo Tecnológico de la Cámara Chilena de la Construcción se ha constituido ACESOL que es Asociación que une a los fabricantes de equipos solares

fabricantes de equipos solares.

También con la CDT se está elaborando un manual de buenas prácticas de diseño e instalación de sistemas solares (basado en normas españolas).

Con el INN (Instituto Nacional de Normalización) se están desarrollando normas relativas a sistemas solares térmicos y fotovoltaicos.

Hay trabajo avanzado con CODELCO para la instalación de sistemas de gran tamaño.

Existen además otras iniciativas interesantes desde el caso de trabajo con Existen además otras iniciativas interesantes, desde el caso de trabajo con

Municipios hasta un auto solar (EOLIAN) que participará en Octubre en la

(24)

Trabajo clave por hacer

Trabajo clave por hacer…

U

d l

l

f

d

Uno de los aspectos claves es contar con plataformas de

ensayo sistemático de sistemas solares térmicos. Es la

única forma de asegurar mínimos de calidad.

Capacitación de personas y sensibilización del público.

Lograr un cambio en cuanto a la forma de ver las energías

renovables.

(25)

Sistema Energético Chileno

Chile ha tenido una política energética basada en un mercado abierto y que depende fundamentalmente de los combustibles fósiles.

A nivel de energía primaria la dependencia en los fósiles es de un 73%

El Gas Natural, que era marginal antes de 1997, hoy representa el 21% de la energía primaria.

(26)

Producción propia

Producción propia…

Dentro de las energías primarias, se producen 98.921 TCal, es decir algo más del 30% del consumo total…

N t d ió d t ól d l 2% d l t t l

Nuestra producción de petróleo es menos del 2% del consumo total de energía. El gas natural que producimos se gasta en gran parte para fabricar Metanol.

(27)

Consumo secundario por sectores

Consumo secundario por sectores…

El transporte es casi todo en derivados del petróleo. Si uno considera que

casi la mitad es gasolina, entonces, indirectamente, la forma de

i l i d d ti i t b

organizar las ciudades tiene un enorme impacto en ese rubro.

D h h á l í t li i d l

De hecho es más la energía que se gasta en gasolina, asociado al transporte al trabajo, que toda la energía que consume el sector residencial

(28)

Sistema Energético

g

E

1990

l 2006

h

á

d

li

d

• Entre 1990 y el 2006 nuestro consumo se ha más que duplicado.

• El 24% del consumo de energía secundaria del país proviene de

fuentes renovables.

• Si a lo anterior se suma que otro 24% viene de gas natural, el más

“limpio” de los combustibles fósiles, tenemos una matriz energética

bastante limpia

bastante limpia.

• En comparación con otros países, nuestras emisiones de CO2 son

relativamente bajas.

• Pero en 1990 producíamos el 54% de la energía que consumíamos

y ahora solo 29,8%.

• El gasto anual en importación de hidrocarburos ya supera los US$

6.500 millones.

(29)

En el caso de los Edificios

L

d

í

á

i d

í

lé

i

• Los consumos de energía están asociados a energía eléctrica, gas

(GLP y GN para cocina y calefacción); kerosene (calefacción) y algo

de petróleo diesel (calefacción). En muchas partes del país la leña

es un energético clave también.

• Sin embargo, al pensar en la construcción, no podemos olvidar los

desplazamientos

asociados a los proyectos que se desarrollan

desplazamientos

asociados a los proyectos que se desarrollan.

Para lugares alejados de los centros de trabajo, los mismos pueden

tener un impacto

mayor

que lo que originan los mismos edificios.

A í

l C i i d l P t ól

ti

i

t

i

ifi

ti

t

• Así que la Crisis del Petróleo tiene un impacto significativo en este

sector.

(30)

Desafío Energético en el Siglo XXI

Esta brecha indica que nuevas reservas de hidrocarburos son cada vez más escasas.

(31)

Desafío Energético en el Siglo XXI

La mayor parte de los analistas coincide que todo el planeta salvo La mayor parte de los analistas coincide que, todo el planeta salvo

Medio Oriente ha entrado en fase de producción decreciente ya o esto ocurrirá hacia el 2006

(32)

Desafío Energético en el Siglo XXI

Hoy los países con reservas importantes de hidrocarburos son cada vez más escasos

(33)

Desafío Energético en el Siglo XXI

Solamente en Oriente Medio existe la posibilidad de aumentar la producción de manera significativa

(34)

Algunos números

En 1950 la producción anual de petróleo a nivel mundial era

p

del orden de 3.000 millones de barriles. Es decir más o menos

1,2 barriles por habitante del planeta al año.

Hoy día la producción está sobrepasando los 30.000 millones

de barriles al año Esto es casi 5 barriles por habitante al año

de barriles al año. Esto es casi 5 barriles por habitante al año.

La producción mundial de petróleo alcanza casi los 90

millones de barriles al día. Esto equivale a 5.200 millones de

metros cúbicos al año.

(35)

Chuquicamata

q

(36)

Chuquicamata

3,5

meses

¿Con la producción anual de petróleo en el mundo, en cuanto ¿Con la producción anual de petróleo en el mundo, en cuanto

(37)

Desafío Energético en el Siglo XXI

La concentración de CO2 en la atmósfera es hoy la más alta en

más de 450.000 años.

(38)

Desafío Energético en el Siglo XXI

La quema de combustibles fósiles ha sido dramática en los

últimos 150 años.

(39)

Resumen

El d

ll d l Si l XX

i l

t

d

• El desarrollo del Siglo XX, especialmente en su segunda

mitad, se basó en la explotación intensiva de los

combustibles fósiles.

• Todo indica que esto no es posible de continuar para el

Siglo XXI. Tanto por problema de recursos, como

t

bié

l

i

t

ti

l

también por el enorme

impacto

que tiene el uso

intensivo de combustibles fósiles.

• Sin embargo más de la mitad de la humanidad vive en

condiciones más propias del Siglo XVIII o Edad Media

que del Siglo XXI.

• Por lo tanto se hace

indispensable

buscar formas

(40)

Resumen

• El sistema eléctrico Chileno, especialmente el Central,

está básicamente orientado a satisfacer la demanda de la

zona central (Santiago y V Región).

E

t

d l d d

ll

t

li

bl

• En otro modelo de desarrollo esto no es aplicable

.

• Las

energías renovables

, por su esencia, son

distribuidas

.

Un uso óptimo implica aprovecharlas a lo largo del

territorio.

• Debemos analizar la interrelación que existe entre

aprovechar los recursos del territorio y donde quedan los

márgenes de ganancia.

g

• Además, como aprovechar los recursos en la forma más

(41)

Una visión de Chile frente al

Mundo

Consumo Eléctrico 14.000.000 16.000.000 18.000.000 12000 14000 8.000.000 10.000.000 12.000.000 W h al añ o 6000 8000 10000 h /h a b it a n te 2.000.000 4.000.000 6.000.000 T W 2000 4000 kW h 0 Mund o Chi na Indi a

USA _Bras il Alem ania Arg entin a Chile 0 País TWh kWh

(42)

Una visión de Chile frente al

Mundo

_{Consumo de Petróleo}

70.000.000 80.000.000 90.000.000 25,0 30,0 40.000.000 50.000.000 60.000.000 B ar ri les/ d ía 15,0 20,0 rri le s p o r a ñ o 10.000.000 20.000.000 30.000.000 B 5,0 10,0 _Bar

0 Mund o Chin a Indi a US A Bra sil Alem ania Arge ntin a Chile í 0,0 País bbl/dia bbl/año

(43)

El caso de los Edificios…

• Ámbito de Aplicación:

Las energías renovables son aplicables a

nivel de viviendas, conjuntos de viviendas y edificios. Sin embargo

la dificultad del proyecto aumenta a medida que la densidad de

personas crece.

Caso óptimo:

superficies extensas densidades de ocupación

• Caso óptimo:

superficies extensas, densidades de ocupación

bajas.

• Tipos de Aplicación óptimas:

agua caliente sanitaria, ventilación.

Calefacción pasiva. Técnicas de iluminación y apoyo en iluminación

• Casos más complejos (pero posibles):

refrigeración de espacios,

energía eléctrica en mayor escala

energía eléctrica en mayor escala.

• Metodología a seguir:

lo óptimo es reducir los consumos

convencionales para desde allí aplicar sistemas de aporte de

bl

El i t

d b

id

t d

(44)

Edificios como sistemas…

Captor Consumo

Si los flujos de

energía entre Si los flujos de energía entre

Acumulador g

componentes se debe a gradientes naturales, el sistema

g

componentes se debe a motores, bombas u otros, el

(45)

Energía Solar en el Norte

En los años 70 y 80 existieron varios proyectos pioneros de

energía solar en el norte de Chile. Son destacables:

• Una instalación para calentar agua de duchas en El

Salvador. Aún en operación. Calienta 40.000 litros de agua

al día.

• Secado de concentrado de cobre por energía solar

• Secado de concentrado de cobre por energía solar.

Producción de 250.000 Ton/año de concentrado.

• Una casa solar con muro Trombe en el norte. Aún en

operación.

p

(46)

Energía Solar en el Norte

Cancha de Colectores en El Salvador

(47)

Energía Solar en el Norte

(48)

Energía Solar en el Norte

(49)

Edificio Solar XXI

(50)

Edificio Solar XXI

(51)

Edificio Solar XXI

(52)

Edificio Solar XXI

(53)

Edificios como sistemas

Edificios como sistemas…

(54)

Edificios como sistemas

Edificios como sistemas…

(55)

Edificios como sistemas

Edificios como sistemas…

(56)

Edificios como sistemas

Edificios como sistemas…

(57)

El Caso de la Arquitectura

El Caso de la Arquitectura…

U difi i i t i t tú d l l li

Una casa o edificio es un sistema que interactúa y modula el clima exterior.

Lo primero que debemos tener claro es cuales son nuestras

í á

características climáticas. Y en que se distingue de otros lugares del mundo.

En gran parte del mundo g p desarrollado, en invierno las

temperaturas externas están muy

por debajo de la temperatura de confort durante el día y la noche.

En ese caso, el rol principal del edificio es aislar del clima exterior edificio es aislar del clima exterior. En casos excepcionales se

(58)

El Caso de la Arquitectura

El Caso de la Arquitectura…

E l d Chil t d l í t

En el caso de Chile, para gran parte del país, nos encontramos que las temperaturas externas diurnas están cerca o en la zona de confort.

En este caso, el rol principal del , p p edificio será modular las

condiciones externas para mantenernos en la zona de confort.

También conviene aprovechar al máximo los flujos naturales de máximo los flujos naturales de energía.

(59)

El Caso de la Arquitectura

El Caso de la Arquitectura…

C d i t l b i l l ti t

Cuando un sistema solo busca aislar, es relativamente poco

importante almacenar energía.

En cambio cuando en un sistema se busca modular, es clave el rol

é

del almacenamiento térmico, especialmente en el propio edificio.

Al modular, , conviene que las q temperaturas internas oscilen, para maximizar aprovechamiento en masa térmica de estructura.

(60)

Cargas Térmicas de Invierno

Cargas Térmicas de Invierno…

E i i l té i

En invierno, las cargas térmicas son:

• Cargas por conducción de calor a través de ventanas, muros, puertas, cielos y pisos.

• Cargas por radiación (especialmente en las noches) al enfriarse las cubiertas por debajo de la temperatura ambiente externa. En lugares como Calama, este enfriamiento puede ser de 10 a 20°C más bajo que temperatura ambiente.

• Cargas por convección, las que principalmente se deben a la

ventilación que requiere el espacio a climatizar. Se necesita un mínimo fisiológico del orden de 15 [m3/h] de aire externo por ocupante. Sin embargo es común que las viviendas estén

enormemente sobreventiladas, pues no existe control al respecto.

• Lograr 1 renovación por hora implica un control estricto en la técnica de la construcción.

(61)

Lo que no se está cumpliendo

Lo que no se está cumpliendo…

E i

h

i é i

Existe hoy una normativa técnica que:

• Fija valores máximos de conductancia térmica para el

envoltorio y cubiertas.

e

o o o y cub e as

• Fija valores de ventilación y calidad de aire interno.

Sin embargo, en la práctica no se cumple.

Esto implica gasto excesivo en calefacción y mala calidad de

(62)

Los Grados Día

Los Grados Día…

P ti l té i d l f ió l tili l Para estimar la carga térmica de calefacción, es usual utilizar el

método de los grados-día.

Estos simplemente representan el promedio de las temperaturas de un lugar y cuanto este promedio está por debajo de un cierto

umbral.

Por ejemplo, para mañana está pronosticada una mínima de 6°C y una máxima de 23. La temperatura media será de 14,5°C; por lo una máxima de 23. La temperatura media será de 14,5 C; por lo tanto se acumulará un déficit térmico de 2,5 Grados-Día si

tomamos un umbral de 17°C.

(63)

Los Grados Día

Los Grados Día…

Si l f t d é did l ét i d l difi i d á Si uno conoce el factor de pérdida volumétrico del edificio y además

su volumen, es sencillo estimar el consumo de energía diario, mensual o anual:

é é

Factor de pérdidas Volumétrico: G = [W/(m3°C)].

Valores típicos de 0,6 (muy bueno) a 3,5 o 4,0 (casa chilena).p , ( y ) , , ( )

Por ejemplo para superficie = 90 m2, volumen 207 m3.

Factor pérdida = 2,5x207 = 517,5 [W/°C]. Si la media exterior es de 10°C y se desea mantener adentro 18°C se necesita:

Energía = 517,5 [W/°C] x (18-10) [°C-día] = 4140 [W-día] = 4140 [J/s]x 86.400 [s] = 357,7 MJ = 99,4 [kWh][ / ] [ ] , , [ ]

(64)

Calefacción

Calefacción…

S l j té i ibl di i i l d d té i Solo por mejoras térmicas es posible disminuir la demanda térmica

de casas o edificios a menos de 1/3 de lo que para nosotros es habitual.

Con los costos actuales de combustibles, hoy día el costo de calefacción pasa a ser un número relevante del costo de la vivienda.

(65)

Calefacción

Calefacción…

El id l i i d difi i l té i d t d l i El ideal es vivienda o edificio con la masa térmica dentro del espacio

a climatizar y la aislación por fuera. Esto evita problema de condensaciones, hongos y otros.

Debe, en lo posible, utilizarse ventanas de termopanel para climas como el de Santiago o más fríos.

Debe controlarse de manera cuidadosa las infiltraciones. Esto significa barreras de vapor.

significa barreras de vapor.

Debe controlarse las pérdidas/ganancias por radiación. Esto implica el uso de barreras radiantes y control de la fenestración

(66)

Agua Caliente Sanitaria

Agua Caliente Sanitaria…

U d l éti á d d l

Uno de los consumos energéticos más grandes de una casa es el agua caliente sanitaria.

Una ducha demanda unos 50 lts de agua caliente a 40°C. Si se calienta esta desde una temperatura de red de 10°C (típica situación de invierno), esto implica 1500 kcal = 1,74 kWh.

Si se usa un califont, con rendimiento de 70% (optimista) y

considerando 4 duchas al día, esto implica un consumo de 300 considerando 4 duchas al día, esto implica un consumo de 300 kWh/mes en agua caliente. Esto equivale a 26 kg de GLP, lo que significa más de $25000.

Para familias pobres (más del 40% de nuestra población) este es gasto muy elevado.

(67)

Agua Caliente Sanitaria

Agua Caliente Sanitaria…

E i t l t t d d i ti f h i t t Existe, por lo tanto, una demanda insatisfecha muy importante a

nivel nacional.

Pero se debe tener un sistema solar que reúna las siguientes características:

• De unos 2 m2 de superficie captora (capaz de producir unos 200 litros de agua caliente al día).

• Resistente a las incrustaciones heladas pobre calidad de agua

• Resistente a las incrustaciones, heladas, pobre calidad de agua. Resistente a la ebullición.

• Cubierta con vidrio templado u otro material resistente a fatiga térmica (no sirve el vidrio corriente)

térmica (no sirve el vidrio corriente).

• Resiste presión de la red (conección directa).

(68)

El caso del Verano

El caso del Verano…

Esto es bastante más complejo. En general las demandas de

refrigeración pueden ser 3 a 4 veces la demanda de calefacción refrigeración pueden ser 3 a 4 veces la demanda de calefacción.

Por nuestro clima, en el caso de viviendas es perfectamente lograble ó é

buen clima interior de verano aprovechando oscilación térmica diaria y acumulación de fresco en estructura de edificio.

Esto es lograble con buena aislación, masa térmica, quebrasoles y sistema de ventilación nocturna.

En el caso de oficinas es mucho más probable el uso de sistemas de refrigeración mecánica porque las cargas internas son elevadas.

(69)

Energía Solar en el Norte

Pero no basta que un recurso exista para que sea deseable utilizarlo

Pero no basta que un recurso exista para que sea deseable utilizarlo.

Además debe existir la

demanda

de energía para ello.

Nuestro norte también presenta esa demanda a través de la creciente

actividad minera. De hecho la generación eléctrica del SING

representa una potencia nominal de un 60% del SIC, con una

demanda siempre creciente. El 99% de esta generación es

p

g

termoeléctrica.

Fuera de ello, existe una gran demanda de energía

,

g

térmica

para

p

multitud de procesos, desde el calentamiento de soluciones hasta el

secado de productos.

Así que tenemos una situación en que existe

demanda de energía

y a

la vez

abundancia de energía solar

.

(70)

Magnitud del Recurso

P

d t

i

l

tili

l

d t

Para determinarlo, utilizamos los datos

oficiales del

World Radiation Data Center

.

Es la base de datos más extensa a nivel

mundial.

Allí ubicamos los datos de radiación solar y

de horas de sol de Calama. A

de o as de so de Ca a a

continuación se presenta en forma gráfica

la comparación de datos con respecto a

Santiago.

(71)

Radiación Solar Radiación Solar 9,0 7,0 8,0 4 0 5,0 6,0 W h/m 2 ] 2 0 3,0 4,0 [k W 0 0 1,0 2,0 0,0

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

(72)

Magnitud del Recurso

L

h

d

l

89 5% d l

í

• Las horas de sol son un 89,5% de lo que sería en un

clima perfectamente despejado.

• La radiación solar promedio es el 89% de lo que dan los

La radiación solar promedio es el 89% de lo que dan los

modelos para días perfectamente despejados.

• Por lo tanto se trata de un caso de texto, desde el punto

p

de vista del recurso en algo ideal.

• Nota:

los datos de que disponemos son de Calama. Los

de Chuquicamata pueden diferir en algo por efectos

locales (contaminación, topografía). Pero este efecto

debería ser no muy significativo.

y

g

(73)

Tecnologías de Conversión

Estamos hablando de conversión térmica Esto básicamente nos presenta las Estamos hablando de conversión térmica. Esto básicamente nos presenta las

siguientes tecnologías de conversión:

• Colectores solares planos: tecnología conocida. Se mejora si se usan superficies selectivas. Aptos para trabajar hasta unos 40 a 50°C sobre la p p p j temperatura ambiente. Sujetos a riesgos de congelamiento y/o ebullición.

• Colectores tipo CPC (Compound Parabolic Concentrator): tecnología

probada, aunque menos conocida. Permite trabajar hasta unos 80°C sobre temperatura ambiente Menos sujetos a congelamiento Buena eficiencia a temperatura ambiente. Menos sujetos a congelamiento. Buena eficiencia a largo plazo.

• Colectores cilindro-parabólicos: siguen el sol en un eje. Mejor captación en el día (hasta 50% más energía útil). Permiten trabajar hasta 200°C sobre temperatura ambiente Poco sensibles a congelamiento o ebullición Mayor temperatura ambiente. Poco sensibles a congelamiento o ebullición. Mayor costo.

• Colectores del tipo paraboloide: seguimiento en dos ejes. Permiten

trabajar hasta 400 a 500°C sobre temperatura ambiente. Tecnología menos j p g conocida y no desarrollada a nivel industrial. Poco sensibles a

(74)

Mecanismos básicos en

conversión térmica

En todo sistema solar térmico, en régimen permanente, se produce un balance de energía entre la que incide sobre el sistema captor y la que este mismo sistema aprovecha y pierde hacia el medio

ambiente. Esto lo podemos plantear desde el punto de vista matemático como:

util

cond

conv

rad

Q

E

=

+

⋅

τ

α

Esta ecuación simplemente nos dice que la energía que absorbe el sistema captor (y por lo tanto está afecta a las pérdidas ópticas de

util

cond

conv

rad

sistema captor (y por lo tanto está afecta a las pérdidas ópticas de transmisión y absorción), debe ser igual a las pérdidas por

(75)

Sistema con colectores planos

Sistema de CENER (Pamplona, España) para proveer calefacción Sistema de CENER (Pamplona, España) para proveer calefacción

(76)

Sistema CPC

(77)

Sistema CPC

(78)

Sistema Cilindro Parabólico

(79)

Sistema de Paraboloide

Menos probados. Altas temperaturas. Ideales para generar energía Menos probados. Altas temperaturas. Ideales para generar energía Menos probados. Altas temperaturas. Ideales para generar energía Menos probados. Altas temperaturas. Ideales para generar energía

Energía solar térmica, Roberto Román.

Corporación de Desarrollo

Tecnológico

Sexta conferencia tecnológica

Roberto Román

Energía Solar y su Utilización en Chile:

Energía Solar y su Utilización en Chile:

Desde lo obvio, a lo menos evidente…

Desde lo obvio, a lo menos evidente…

Desde lo obvio, a lo menos evidente…

Desde lo obvio, a lo menos evidente…

P f R b t R

á L

P f R b t R

á L

Prof. Roberto Román L.

Prof. Roberto Román L.

Departamento de Ingeniería Mecánica

Departamento de Ingeniería Mecánica

Universidad de Chile

Universidad de Chile

[email protected]

[email protected]

A modo de Presentación

A modo de Presentación

A modo de Presentación…

A modo de Presentación…

Roberto Román Latorre:

Profesor Asociado de la FCFM

•

Roberto Román Latorre:

Profesor Asociado de la FCFM

de la Universidad de Chile (más conocida como “la

Escuela de Ingeniería”).

•

Ingeniero Civil Mecánico:

especialidad en termofluidos,

máquinas térmicas, máquinas hidráulicas. Académico en

la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la U.

y

de Chile.

•

Especialización en energías renovables:

con especial

énfasis en energía solar Más de 30 años de experiencia

énfasis en energía solar. Más de 30 años de experiencia

en el tema. Actualmente integrante del Directorio de la

ISES

(International Solar Energy Society).

F

d

d E

M i

d

•

Formador de EcoMaipo:

como una manera de

propender hacia nuevos modelos de desarrollo. En

particular en el Cajón del Maipo (donde resido).

Estructura Presentación

Estructura Presentación

Estructura Presentación

Estructura Presentación

•

Situación Histórica de renovables en Chile.

•

Los años 1980 al 2005.

•

Barreras existentes.

•

El caso de la Arquitectura:

desde lo evidente a lo

id

t

menos evidente.

•

Aplicaciones térmicas:

agua caliente sanitaria;

calefacción de espacios; climatización de espacios

calefacción de espacios; climatización de espacios.