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Timestamp: 2020-05-28 13:19:10+00:00

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Fernando Sánchez Sudón César Dopazo García Francisco José López García Rocío Fernández Artime Fidel Pérez Montes
Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI
Análisis de situación y prospectiva de nuevas tecnologías energéticas
Una década de análisis de las tecnologías energéticas
© Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI
Reina, 33. 28004 Madrid www.icai.es
Alberto Aguilera, 23. 28015 Madrid www.upcomillas.es
Sólo se permite la reproducción parcial de este libro, y con la condición de que se indique de forma precisa la fuente original.
ISBN: 978-84-8468-508-1
Depósito Legal: M-35969-2013
ColeCCión: AvAnCes de ingenieríA
Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ICAI)
Fernando Sánchez Sudón – céSar dopazo García – FranciSco JoSé lópez García – rocío Fernández artiMe – Fidel pérez MonteS.
La Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI y la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas de la Universidad Pontificia Comillas quieren agradecer su colaboración a las siguientes empresas e instituciones:
Patrocinador de la Cátedra:
Patrocinador de la Jornada:
Colegio Nacional de Ingenieros del ICAI
Prólogo … ………………………………………………………………………………………………………… ……9
Capítulo I: Energías renovables
FernAndo sánChez sudón (Cener)… ……………………………………………………………………… 13
Capítulo II: La nueva generación a partir de combustibles fósiles
• La nueva generación a partir de combustibles fósiles
CésAr dopAzo gArCíA (universidAd de zArAgozA) … ……………………………………………………… 29
Capítulo III: Energía nuclear
FrAnCisCo José lópez gArCíA (sne)… ……………………………………………………………………… 47
Capítulo IV: Eficiencia energética
• Eficiencia energética en la edificación
roCío Fernández Artime (energylAb) … ……………………………………………………………………… 63
• Análisis de la evolución y tendencias futuras de la eficiencia energética en España
Fidel pérez montes (idAe)… ………………………………………………………………………………… 83
En este libro, que recoge la X Jornada de la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tec- nologías Energéticas, hemos querido hacer una actualización de los temas tratados
a lo largo de estos diez años.
En este periodo ha habido muchos avances tecnológicos en energías renovables. España se ha convertido en una potencia mundial, tanto en generación como en I+D en energía eólica; se han aumentado los MW instalados de energía solar y bio- masa; y con respecto a esta última, se han multiplicado las investigaciones para su uso en proyectos de optimización energética mediante ciclos de Rankine orgánico. También se han desarrollado proyectos importantes de energía geotérmica y hay en marcha varias instalaciones pioneras de energías marinas.
En relación a la eficiencia energética, los desarrollos teóricos se han concretado en proyectos y políticas de gran alcance, que hacen que el ahorro y la eficiencia sean una realidad presente.
En cuanto a la energía nuclear, tenemos la convicción de la necesidad de que siga presente, e incluso aumente su peso, en nuestro mix energético, así como de la exis- tencia de soluciones sostenibles para el tratamiento del combustible nuclear usado, bien en el ciclo abierto como en el ciclo cerrado, y el de las tecnologías de reciclado y reprocesado del combustible usado, ya que el tema de los residuos nucleares es uno de los principales caballos de batalla contra el que debe de luchar dicha tecnología. La aceptabilidad social de la energía nuclear debe pasar inexorablemente por dar una solución al tratamiento de los residuos.
Respecto a los combustibles fósiles, dada la necesidad de conjugar su empleo, debi- do a las abundantes reservas disponibles, con una economía baja en carbono, es muy importante conocer las nuevas tecnologías disponibles de generación que, junto con la captura de CO 2 , podrían dar una solución sostenible al dicho uso.
En estos diez años dedicados a analizar la situación energética en España y a di- fundir los nuevos avances tecnológicos en las diferentes áreas energéticas, hemos contado con multitud de expertos a los que desde aquí quiero agradecer su interés
y dedicación a la Energía. Espero que este libro os sirva como actualización de los temas ya tratados y como un punto y seguido para continuar en nuestra labor.
Yolanda Moratilla Presidenta del Comité de Energía y Recursos naturales del IIE Directora de la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas
1. Energías renovables
Autor: Fernando Sánchez Sudón
Institución: CENER
Fernando S án Chez Sudón – C ener
En la |Figura I.1| podemos ver la evolución de la potencia instalada de energías renova- bles (EE.RR.) incluidas en el régimen especial (dentro del cual están incluidas tanto las energías renovables como la cogeneración) desde el año 2005. En la figura puede apreciarse que ha habido un crecimiento sostenido hasta alcanzar los casi 30 GW.
La participación de las energías renovables en el mix energético en el año 2012 fue:
• Ciclo combinado 12%
• Carbón 11%
• Nuclear 8%
• Hidráulica 19%
• Solar termoeléctrica 2%
• Solar fotovoltaica 4%
• Eólica 22%
• Térmica renovable 1%
• Cogeneración y resto 8%
Resaltar que en cuanto a cobertura de la demanda, las energías renovables se en- cuentran en primer lugar con un 37%.
Si analizamos la evolución del régimen ordinario y el régimen especial representa- dos en la |Figura I.2|, según datos de Red Eléctrica Española (REE), podemos ver que en el régimen especial la producción de los ciclos combinados se ha reducido debido al decremento del consumo por la situación actual. Por el contrario, el car- bón ha roto la tendencia decreciente hasta el 2010 que se estaba siguiendo al igual que en el resto de países europeos para la reducción de emisiones de CO 2 y se ha aumentado la producción para paliar la crisis en el sector minero. Por otro lado, la evolución en el régimen especial viene caracterizada por el crecimiento de la ener-
AvAnces de IngenIeríA | energías renovables
|Figura I.1| Evolución de la potencia instalada en EE.RR.
|Figura I.2| Evolución de la producción energética
gía eólica y por el salto protagonizado por la energía solar entre el año 2008 y 2010 debido al fallo regulatorio que permitió instalar una potencia fotovoltaica excesiva y muy por encima de lo planificado. En cuanto a la producción hidráulica, depende directamente de la hidraulicidad del año.
Una década de análisis de las tecnologías energéticas | AvAnces de IngenIeríA
|Figura I.3| Evolución de la producción energética 2008-2020
Generación por bombeo y otras
En cuanto a la evolución de la producción eléctrica, podemos ver en la |Figura I.3| la predicción hecha desde el gobierno para la presentación del balance energético del 2012 y perspectivas. La evolución hasta el 2020 de las diferentes fuentes energéticas, supone una predominancia de las energías renovables y el gas, pero con la tendencia creciente de las renovables para cumplir con la directiva europea del 20x20x20 y la decreciente del gas.
En cuanto a consideraciones de carácter macroeconómico, la contribución al Pro- ducto Interior Bruto (PIB) por parte de las renovables ha sido de manera directa su- perior a los 6.000 M€ y de manera indirecta cerca de los 4.000 M€. También destacar que las energías renovables son fuentes más intensivas de empleo que las convencio- nales y por lo tanto han supuesto una contribución importante en cuanto a creación de empleo. Así como ser un sector netamente exportador de tecnología española.
Para terminar comentar que el esfuerzo en I+D en relación con el PIB está en 4,5%, muy superior a la media española del 1,4%. Es un sector muy intensivo en investi- gación, y como consecuencia ha producido una situación de liderazgo tecnológico internacional de las empresas españolas.
Lo primero que ha de tenerse en cuenta para analizar el entorno internacional es la Directiva 2009/28/CE. En junio de 2009 entró en vigor la directiva conocida tam- bién como 20x20x20 relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables. Integra el fomento de las distintas energías renovables (electricidad, biocombustibles y energías renovables para calefacción y refrigeración) y el objetivo
es alcanzar un 20% de consumo final bruto de energías renovables para 2020 y un 10% en el transporte; e insiste en la integración de las renovables en otros sectores como la edificación y el urbanismo.
Establece objetivos vinculantes:
• A nivel de la Unión Europea: se debe alcanzar el 20% de la energía primaria cubierta mediante energías renovables en 2020.
• A nivel de los Estados miembros: conseguir más del 10% del consumo de com- bustibles cubierto mediante biocarburantes en transporte con criterios de sos- tenibilidad.
• Obligación de presentar Planes de Acción Nacionales (31/3/2010).
• Planes de seguimiento (exigencia de % mínimos en 2012-2014-2016-2018).
Estos objetivos vinculantes marcan las estrategias y planes de acción nacionales has- ta el 2020 para todos los países de la Unión Europea.
Simultáneamente, la Unión Europea ha establecido el SET Plan (Strategic Energy Technology Plan), que es el plan de desarrollo de tecnologías energéticas y que su- pone una apuesta por mantener el liderazgo europeo en renovables.
La Unión Europea ha apostado por un cambio de modelo energético con un peso muy destacado de las energías renovables. La inversión en las distintas tecnologías para alcanzar los objetivos de la directiva 20x20x20 puede verse en la |Tabla I.1| .El presupuesto de las energías renovables en el SET Plan asciende a 31.000 M€ más otros 10.000 M€ para Smart Cities. La participación de la industria, de los Estados miembros de la Unión Europea y de la propia Unión Europea abre numerosas opor- tunidades de inversión, empleo, desarrollo regional e I+D.
|Tabla I.1| Cost estimates of the proposed SET-Plan EIIs and the Smart Cities Iniciative
Total (b€)
Solar (Fotovoltaica + Concentración)
Energía Nuclear Sostenible
58,5-71,5
|Figura I.4| Evolución de la potencia instalada en Europa
En cuanto a la evolución de la potencia instalada en Europa, puede verse en la |Figura I.4| la potencia instalada cada año por tecnologías. En el año 2012 se instalaron más de 10.000 MW de energía eólica y más de 20.000 MW de solar fotovoltaica, lo que supone casi el 75% de la potencia nueva instalada. Por tanto, vemos que la situación española sigue la tendencia europea de cambio hacia las energías renovables.
Esta tendencia, tanto europea como española, se puede ver más claramente en la |Figura I.5| en donde está representada la potencia instalada y desinstalada en el año 2012. Se instalaron 28 GW en energías renovables predominando la solar fotovoltai- ca, con 16 GW. El 2011 también tuvo una distribución semejante.
Mundialmente la situación es pareja, fuertemente predominante la energía eólica. En los países emergentes se está produciendo realmente el cambio más importante. Y por orden de producción instalada son China, Estados Unidos, Alemania y Es- paña. En cuanto a inversiones, a nivel mundial hay una tendencia creciente que se estancó en el año 2010, por la situación de exceso de oferta en Europa, y también por la reducción de costes de las diferentes opciones energéticas.
Comentar antes de entrar en cada tecnología que la reducción de costes tiene dos elementos clave, por un lado la innovación, investigación y desarrollo y por otro los efectos de la economía de escala. A veces resulta difícil distinguir en ese porcentaje
|Figura I.5| Capacidad instalada y desinstalada en Europa en 2012
la contribución de cada factor. Por eso, cuando se llevan a cabo políticas de apoyo se está trabajando en la economía de escala que finalmente conducirá a la reducción de costes.
Si analizamos las diferentes fuentes energéticas:
Se ha producido un crecimiento sostenible y actualmente se están instalando cada año unos 44.000 MW. La potencia acumulada es una curva razonable de crecimiento que demuestra la estabilidad del sector y a pesar de los vaivenes sigue manteniendo un sec- tor saludable. En la |Figura I.6| está representada la distribución de potencia eléctrica eólica por países; puede verse a China en primera posición y por tanto, deducir que el mercado chino es el que ha marcado un cambio de tendencia que anteriormente estaba en Estados Unidos. Un dato importante es la cobertura de demanda en diferen- tes países, Dinamarca lidera con un 27% mientras que en Alemania, teniendo mayor potencia instalada, la cobertura es inferior a la española. Y por último destacar en la |Figura I.7| la curva de aprendizaje de la tecnología y la reducción de costes. Desde el 2008 se ha observado una media de descenso del coste del 20%.
En cuanto al futuro de la energía eólica, comentar que están desarrollándose los principales desafíos tecnológicos en la energía offshore (en el mar). Actualmente ya
|Figura I.6| La energía eólica en el mundo
|Figura I.7| Curva de aprendizaje de la energía eólica
se alcanzan los 5.000 MW. Y las previsiones de la Asociación Europea de la Energía Eólica son unos importantes desarrollos y despliegue en el norte de Europa.
En la evaluación de recursos merece destacarse el desarrollo de nuevas herramientas:
• Simulación con herramientas avanzadas: CFD (Computational Fluid Dynamics) para cálculo del recurso. • Generación de mapas de recursos a partir de datos de modelos de mesoescala. Uso de SIG (Sistema de Información Geográfica).
• Uso de sistemas avanzados de medida: SODAR (SOnic Detection And Ranging), LIDAR (Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging), imágenes satélite
• Desarrollo de metodología y herramientas de simulación específicas para offshore.
• Métodos avanzados de simulación de estelas.
En cuanto a la predicción:
• Uso de modelos meteorológicos de alta resolución.
• Postproceso matemático para la reducción de errores.
En cuanto a la investigación y desarrollo en la tecnología de aerogeneradores destacar:
• Diseño de perfiles específicos.
• Desarrollo de palas inteligentes.
• Desarrollo de metodología y herramientas de diseño específicas para grandes aerogeneradores/offshore.
• Offshore: Logística optimizada, estructuras aguas profundas.
• Estrategias de control avanzadas: maximización de la producción, reducción de cargas
• Nuevos materiales y procesos de fabricación optimizados y automatizados.
• Mejoras en la disponibilidad y fiabilidad: robustecimiento de procesos de diseño.
• Integración en red y acumulación.
• Reducción del impacto ambiental.
En ensayos y certificación se está trabajando en los siguientes puntos para validar:
• Mejora de métodos de ensayo y desarrollo de nuevas metodologías: ensayos completos/de componente en laboratorio.
• Desarrollo de estándares y procedimientos de validación específicos.
• Introducción de sensores avanzados y nuevas técnicas de ensayo o inspección.
El CENER cuenta con el laboratorio de ensayos de aerogeneradores en el cual se están llevando a cabo ensayos de palas, del tren de potencia, de materiales compuestos, así como un parque experimental. De esta manera se contribuye al desarrollo del sector con la capacidad para ensayar y certificar los nuevos componentes y prototipos.
Podemos ver en la |Figura I.8| la evolución de la producción de células fotovoltaicas por año y por país. A partir del 2009 aparece China. El crecimiento es mayor que el de la energía eólica, y actualmente existen unos 90 GW. Europa sigue siendo el país dominante en cuanto a potencia instalada, y China, aunque es uno de los principales fabricantes, no domina en potencia instalada todavía.
|Figura I.8| Curva de aprendizaje de la energía fotovoltaica
En la |Figura I.9| está representada la evolución de la capacidad instalada en Europa. España en el año 2008 permitió los 2.800 MW por el fallo en la legislación. En paí- ses como Alemania o Italia puede verse que han tenido crecimientos aún mayores. La segmentación de la tecnología varía según países. En España básicamente se ha desarrollado el llamado “huerto solar” mientras que en otros países como Austria se ha desarrollado la energía fotovoltaica en sector residencial.
|Figura I.9| Evolución de la capacidad instalada en Europa
En cuanto a la evolución prevista por la Asociación Europea de Fotovoltaica, tene- mos representado en la |Figura I.10| el crecimiento, constante y sostenido. Depende- rá del tipo de tecnología y de las políticas de apoyo a cada una:
La tecnología predominante es la de obleas de silicio cristalino:
• Células de contactos posteriores (Sunpower). Se están alcanzando rendimientos:
− En laboratorio del 24.2%.
− En producción del 22.4%.
• Silicon Heterojunction Cells (Sanyo):
− Nuevo HIT cell record con un rendimiento de 23.7% en 98 μm wafer.
No obstante, están empezando a aparecer también las tecnologías de lámina delga- da cuyos rendimientos son:
• CIGS (Copper indium gallium selenide (CuInGaSe2)): Modulo (0.7m2) son casi de un 14% (ZSW/Manz).
• CdTe (First Solar, July 2011):
− Célula 17.3 %.
− Módulo 13.5%.
• Nano-crystalline silicon (UniSolar, 12/2010):
− 12% célula encapsulada de gran área (400 cm2).
• Células de colorante: Rendimientos máximos 11% (Sharp).
|Figura I.10| Evolución prevista de las tecnologías
Por último comentar otras dos tecnologías en las que se está trabajando:
• Tecnología fotovoltaica de concentración:
− Eficiencia de célula en laboratorio: ~ 43.5%, mass production: 39.2%.
− Eficiencia del módulo: ~ 25 – 31%.
− Eficiencia del sistema: ~ 23 – 27%.
• Células orgánicas:
− 9.2% record (Mitsubishi 09/2011).
− Diferentes compañías certifican eficiencias del 8%.
En cuanto a la reducción de costes de la energía fotovoltaica se ha observado una reducción desde el año 2008 de casi el 80%, con valores actuales de 1$/W pico , de manera que ya se ha alcanzado la paridad de red y de esta manera puede competir sin ayudas con el precio de la energía eléctrica al consumidor. Por esta razón, están apareciendo instalaciones de autoconsumo que está regulado, cuya tasa de retorno está en 5 ó 6 años. Se ha producido un cambio radical de tendencia.
En España ha habido un desarrollo muy importante, siendo líder en importación internacional. En las |Figuras I.11 y I.12| están representadas las tecnologías existen- tes: la parabólica, la lineal de Fresnel y las de disco parabólico. La más extendida
|Figura I.11| Tecnología solar térmica de concentración lineal
|Figura I.12| Tecnología solar térmica de concentración en 3 dimensiones
es la parabólica. No obstante se está comenzando ya con la cilíndrica por alcanzarse mayores temperaturas y por tanto mayores rendimientos del ciclo termodinámico.
La evolución histórica de la tecnología solar térmica comenzó en los años 70 con la construcción de siete plantas piloto (plantas de demostración). En los años 80 de construyó la plataforma solar de Almería. Mientras, entre los años 1984-1990, se instalaron 350 MW en California con tecnología cilindro– parabólico (9 plantas co- merciales). El futuro de la tecnología es la hibridación mediante el incremento del rendimiento (torre/disco Stirling) y el almacenamiento térmico. Los retos tecnológi- cos están en mejora de la eficiencia de los receptores solares y el abaratamiento de los diferentes componentes. Una de las principales características de esta tecnología es que trabajan con sistemas de almacenamiento y por lo tanto es una energía ges- tionable. La última planta que se ha instalado está en Sevilla y funciona las 24 horas del día gracias al sistema de almacenamiento. Actualmente en España la potencia instalada supera los 2.000 MW.
La biomasa es una fuente energética. En la |Figura I.13| están recogidas todas las fuentes de biomasa así como las principales dificultades en su suministro y las tec- nologías de conversión. La biomasa produce electricidad y calor y, por último, los biocarburantes.
|Figura I.13| Tecnología biomasa
Mencionar el esfuerzo que se está llevando a cabo en los biocarburantes de 2ª gene- ración que permiten:
• Incremento del rango de Materias primas →Uso de material lignocelulósico y residual (no compite con el mercado alimentario).
• Mejoran el balance de emisiones de GEI, con estimaciones que alcanzan reduc- ciones del orden del 80–90% de CO 2 equivalentes respecto a los carburantes fósiles convencionales.
• La eficiencia energética, derivada de la integración del uso de energías renova- bles, mediante el uso integral de la biomasa, permite obtener balances energéti- cos que minimizan la tasa de consumo de energía fósil por Unidad de Bioenergía producida.
• Integración en procesos de biorefinería con producción de otros productos quí- micos de alto valor añadido.
En la |Tabla I.2| están recogidas las distintas tecnologías y la materia prima para fa- bricar los biocarburantes. Los procesos dominantes son los bioquímicos para conse- guir alcoholes mediante fermentación y el otro son los procesos termoquímicos para obtener biodiesel mediante la síntesis de hidrocarburos.
El futuro. Nuevas tendencias
Hay dos elementos que muestran el cambio drástico en el sistema energético actual. El primero es la edificación, no solo como consumidor de energía sino como produc-
|Tabla I.2| Biocarburantes de 2ª generación
tor de energía, mediante los desarrollos de autoconsumo y su posterior transición al balance neto. También hay que ver el coche eléctrico como un gran sistema de almacenamiento distribuido e introduce unos cambios en la tendencia de futuro.
El segundo gran cambio será el paso de un sistema centralizado de generación a un sistema de generación distribuida con la aparición de micro redes que generarán cerca de los puntos de consumo.
Finalizar con la frase de Barak Obama en su discurso de reelección:
“El camino hacia las fuentes de energía sostenible será largo y algunas veces difícil… no podemos ceder a otras naciones el liderazgo de la tecnología que potenciará nue- vos trabajos y nuevas industrias, debemos reclamar este derecho”. |•|
La nueva generación a partir de combustibles fósiles
1. La nueva generación a partir de combustibles fósiles
Autor: César Dopazo García Institución: Universidad de Zaragoza Cargo: Catedrático
César D opazo G arC ía – un I versIDa D D e zara Goza
En este capítulo vamos a presentar y comentar algunos datos estadísticos sobre los combustibles fósiles en el mundo y en España. La exploración y explotación de gas
y petróleo no convencionales, la comercialización de tecnologías de conversión al-
ternativas y/o más eficientes y la demostración de viabilidad técnico-económica de la
separación y almacenamiento de CO 2 son los tres grandes retos para el uso sosteni- ble de los combustibles fósiles, que se discuten en este capítulo.
Es conveniente para centrar los problemas de los combustibles fósiles mostrar, en primer lugar, algunos datos sobre la importancia y el interés de los mismos en el mundo y en España.
Las reservas mundiales probadas de combustibles fósiles a final de 2011, según Bri- tish Petroleum 1 , eran:
• 422.000 Mtep de carbón.
• 234.000 Mtep de petróleo.
• 188.000 Mtep de gas natural.
Con los ritmos actuales de producción, estas reservas durarían alrededor de 107 años para el carbón, 57 para el petróleo y 64 para el gas natural.
Los consumos anuales en 2011 de carbón, petróleo y gas natural en Mtep fueron de 3.724, 4.059 y 2.906, respectivamente.
1 BP Stat. Rev. World Energy, June 2012; Enerdata 22/04/13.
AvA n c E S d E I ng E n I ER í A | La nueva generación a partir de combustibles fósiles
El aumento espectacular de la demanda de combustibles fósiles en las mega-econo- mías de China e India, así como la más que probable independencia energética de Estados Unidos antes de 2020, debido a sus importantes reservas de carbón e hidro- carburos no convencionales, inducirán cambios importantes en el mercado global de los combustibles fósiles, que no abordaremos en este artículo centrado principal- mente en las tecnologías.
El sector de la energía en España genera alrededor del 2,5% de su PIB. La caren- cia de crudo y gas natural y la mala calidad y alto coste del carbón nacional limitan el desarrollo económico y la competitividad industrial. La dependencia energética del exterior está entre el 75% y el 80% y el déficit comercial y el energético siguen evoluciones paralelas.
Para lanzar su industria, España intentó en la segunda mitad del siglo XIX susti- tuir las importaciones de carbón inglés por carbón asturiano, usado en el naciente ferrocarril y en los barcos de la Armada. Durante la primera guerra mundial se re- dujeron las importaciones de carbón inglés y comenzaron las compras del petróleo, monopolizado por unas pocas empresas globales. En 1927 se promulgó la “Ley del Monopolio de Petróleos” y se creó la empresa pública CAMPSA.
Entre las dos guerras mundiales se iniciaron la construcción de grandes presas y el desarrollo de centrales hidroeléctricas. El bloqueo a partir de 1939 provocó escasez de suministro energético y apagones eléctricos, y la situación económica no permitió
la construcción de centrales ni hidroeléctricas ni térmicas. La mejora de la economía
a finales de los años 50 y en la década de 1960 indujo la necesidad de producir lig-
nitos de Galicia y otros carbones nacionales y la construcción de presas y refinerías.
La creación de CIEMAT en 1951 fue instrumental para el lanzamiento de la energía nuclear en España, iniciando la operación de la primera central nuclear en 1969. La crisis del petróleo de 1973 y la crisis económica mundial a partir de 1979, junto a decisiones políticas cuestionables, el incidente de Three Mile Island y el desastre de la fábrica de plutonio de Chernobyl supusieron el parón del que había sido pionero el programa nuclear español.
En la década de 1980 se empezó a utilizar el gas natural para consumo doméstico y generación eléctrica y a reducir el uso del fuelóleo para producción de electricidad, concentrando el uso de crudos de importación en el sector transporte. Se construye un gasoducto por el que fluye gas de Argelia, a través de Marruecos, y estaciones de regasificación de gases licuados.
En la década de 1990 se inicia la penetración de las energías renovables a ritmo lento
e impreciso. Como se ve en la |Tabla II.1|, el crecimiento del consumo de combus- tibles fósiles en España no ha cesado de aumentar desde la década de 1960 hasta
Una década de análisis de las tecnologías energéticas | AvA n c E S d E I ng E n I ER í A
|Tabla II.1| Consumo de energía primaria en España (Mtep)
Fuente: MINETUR y Ministerio de Hacienda
2007, con una importante caída del orden del 25% entre 2007 y 2011 debida a la crisis económica.
La década de 2000 se caracteriza por la penetración masiva y desordenada del gas natural como combustible de centrales térmicas con ciclos combinados y de las ener- gías renovables. La prioridad de despacho de los kWh renovables ha reducido el hueco térmico en la curva de carga con lo que las horas anuales de operación de las
centrales de gas con ciclos combinados han pasado de las 4.000 a 5.000 previstas a menos de 2.000 en la mayoría de los casos. Por otro lado, la imposición política a las empresas eléctricas de consumir carbón nacional implica un aumento de las emisio- nes de gases de efecto invernadero sólo paliada por la reducción del consumo debido
a la crisis económica.
Este capítulo se centrará en los retos tecnológicos y económicos inmediatos y futu- ros de los combustibles fósiles que son los siguientes:
• La viabilidad técnica y económica de la exploración y la explotación de las abun- dantes reservas existentes de hidrocarburos no convencionales (crudos y gases), que permitiría aumentar la relación Reservas/Producción y multiplicarla por un factor entre 1,5 y 2,0.
• El uso de tecnologías alternativas y el aumento de la eficiencia de conversión de los combustibles fósiles en energía final, tanto en el subsector del transporte como en el de generación eléctrica, que racionalizarían el consumo y alargarían la duración de las reservas.
• La presión ambiental obligará a largo plazo al uso de tecnologías limpias, con emisiones casi nulas, para continuar la utilización de combustibles fósiles; el de-
sarrollo de las tecnologías de separación y almacenamiento de CO 2 ilustra una de las necesidades imperiosas a medio y largo plazo para el uso continuado de las reservas mencionadas.
Muy a menudo, las medidas regulatorias constituyen un cuello de botella para el desa- rrollo más armónico de los mercados. Se enunciarán brevemente unas pocas medidas que serían importantes para facilitar el uso de los combustibles fósiles en España.
España no cuenta con recursos de crudo ni de gas natural. Sólo recientemente se han alumbrado expectativas de probables reservas al este de las Islas Canarias que se estiman en 1.390 millones de barriles |Tabla II.2|. Al ritmo actual de consumo estas reservas, si llegaran a confirmarse, satisfarían la demanda de crudo de apenas 3 años. La factura anual de España para la importación de crudo asciende a más de 40.000 M€. Las reservas canarias se podría valorar en algo más de 100.000 M€. Reciente- mente, se está iniciando la exploración de gas no convencional en varios lugares de la España peninsular.
Las reservas de carbón con el ritmo de producción de 2009 tenían una duración de alrededor de 27 años (BP Stat. Rev. World Energy, June 2010). El descenso del consumo y de la producción nacional ha elevado la duración de estas reservas a algo más de 100 años a finales de 2011 (BP Stat. Rev. World Energy, June 2012). Con la
|Tabla II.2| Los combustibles fósiles en España en 2012
Fuente: BP Stat. Rev. World Energy, June 2012; Enerdata 22/04/13
imposición de consumo de carbón nacional la duración de estas reservas se reduce significativamente y se sitúa más próxima a los valores de 2009 que a los de 2011.
La estructura de generación eléctrica española refleja la creciente importancia rela- tiva del carbón entre 1960 y 1990, así como la subsiguiente contribución porcentual decreciente a partir de entonces. 2012 marca un cambio en esta tendencia, inducido por la obligatoriedad del consumo de carbón doméstico.
Los retos inmediatos y futuros que afrontarán los combustibles fósiles tienen tres fren- tes principales. En primer lugar, la exploración y la explotación crecientes de crudos
y gas natural no convencionales marcarán la pauta en el consumo de petróleo y gas.
El hecho de que EE UU sea autosuficiente energéticamente antes de 2020 rebajará tensiones en los mercados internacionales de combustibles fósiles; la presión oferta/ demanda se mantendrá, sin embargo, por las demandas crecientes de China e India.
En segundo lugar, las mayores exigencias medioambientales/climáticas obligarán por un lado a incrementar la eficiencia de las tecnologías de conversión en centrales térmicas y vehículos, o a buscar soluciones alternativas (vehículos eléctricos, centra- les nucleares).
Finalmente, el uso a medio y largo plazos de los combustibles fósiles para la produc- ción de electricidad dependerá en gran medida del desarrollo y comercialización de las tecnologías de separación y almacenamiento de CO 2 o de técnicas innovadoras que “usen” masivamente el CO 2 como materia prima.
Los hidrocarburos (líquidos y gaseosos) convencionales y no convencionales nor-
malmente coexisten en formaciones geológicas. Los costes de extracción de crudos
y gas no convencionales son mayores que los correspondientes a los hidrocarburos
convencionales debido a las complicadas técnicas utilizadas. Los sondeos de gas y de petróleo no convencionales en Estados Unidos han alcanzado en la última década y en los primeros de la actual cifras difícilmente imaginables hace 20 años.
Entre los crudos no convencionales se encuentran:
• crudos pesados
• arenas bituminosas
• crudos en terrenos compactados
• pizarras bituminosas
La receta para extraer el crudo, por ejemplo, de una arena bituminosa comienza por añadir agua caliente y agitar intensamente la mezcla resultante. El bitumen termina flotando en la superficie y se puede separar mecánicamente del agua y de la arena del fondo. Este bitumen resultante es un crudo muy viscoso con burbujas de gas natural en su seno que se van desprendiendo progresivamente.
Un indicador de la sostenibilidad energética y económica, definido por C. Hall en la década de 1980, de las técnicas de obtención de un combustible es el denominado EROI (Energy Return On Investment). Expresa la relación entre la energía obte- nida y la energía empleada en el proceso. Para que el proceso de obtención de un combustible sea económica y energéticamente sostenible el valor de su EROI ha de situarse en el rango de 5 a 9.
Como se ve en la |Tabla II.3| el crudo procedente de arenas bituminosas está en el límite de la sostenibilidad, mientras que el etanol a partir de maíz y el crudo pesado de California entran en la categoría de insostenibles.
Los tipos de gas no convencional varían desde metano en lechos carboníferos (coal- bed methane) hasta los hidratos o clatratos de metano (atrapado a alta presión y baja
|Tabla II.3| EROI para algunos combustibles líquidos
Fuente: Sci. Amer. April 2013
temperatura en estructuras de moléculas de agua similares al hielo), pasando por el gas de pizarra (shale gas) y el gas en terrenos compactados (tight gas).
La tecnología para extraer hidrocarburos no convencionales se puede caracterizar me-
diante la viscosidad del hidrocarburo y la permeabilidad del terreno. La permeabilidad
la constante de proporcionalidad entre la velocidad media del flujo, (u), y el gradien-
de presión, (Grad p), que lo produce. La ley de Darcy expresa esa relación:
u = (k/μ) Grad p
donde μ es la viscosidad del fluido y k la permeabilidad del terreno. k tiene dimen- siones de una longitud al cuadrado y depende del tamaño y de la forma de los poros del terreno.
Para crudos ligeros y gas atrapado en terrenos compactados o en pizarras, si la per- meabilidad del terreno es alta, una mera perforación, como máximo asistida con agua, bastará para extraer los hidrocarburos. Al disminuir la permeabilidad del terre- no será necesario recurrir a la fractura (fracking) del terreno mediante inyección de agua a presión con arena y aditivos químicos. El aumento de la viscosidad de crudos pesados o muy pesados requiere en terrenos muy permeables la inyección de vapor. Para bitumen y arenas bituminosas se han de utilizar técnicas de minería extractiva.
A nivel mundial las reservas probadas de gas natural convencional y los poten-
ciales recursos de gas de pizarra son comparables. Algunas proyecciones exis- tentes de la producción de gas no convencional en 2035 asignan un papel des- tacado a Estados Unidos, China y Canadá. En estos tres países el porcentaje de
gas no convencional en la producción total de gas oscilará probablemente entre
el 65% y 75%. Por otro lado, la producción de gas no convencional en la UE será
insignificante y representará alrededor de 20% de la producción total de gas.
Tecnologías alternativas o de conversión más eficiente en el transporte
El transporte es el principal consumidor de productos petrolíferos. Reducir el con- sumo de petróleo implicará, por tanto, recurrir a vehículos híbridos o eléctricos o bien producir combustibles alternativos como los biocarburantes, los combustibles sintéticos a partir de gas o carbón (método de Fischer-Tropsch) o el hidrógeno para quemar en motores de combustión interna o turbinas de gas o para usar en pilas electroquímicas de combustible.
Un indicador similar a un EROI expresa la distancia recorrida por cada GJ de ener- gía invertida en la producción de varios combustibles. Después del vehículo eléctri- co, el transporte con gasolina convencional es el más sostenible energética y econó-
micamente |Tabla II.4|.
|Tabla II.4| Distancia recorrida (en km) con el combustible producido invirtiendo 1 GJ de energía
Fuente: Elaboración propia a partir de Sci. Amer. April 2013
Tecnologías de conversión más eficientes para generación eléctrica
Hay dos retos esenciales para el uso continuado de los combustibles fósiles en la produc- ción de electricidad. A corto, medio y largo plazos es imprescindible aumentar significa- tivamente la eficiencia de transformación de las centrales térmicas mediante el uso de ciclos combinados con turbinas de gas y de vapor, y la utilización y penetración comercial generalizada de calderas con ciclos de vapor supercríticos y ultra-supercríticos. Se debe también promover la cogeneración siempre que sea económicamente viable.
Para el uso prolongado a largo plazo de los combustibles fósiles será decisivo reducir significativamente o evitar totalmente las emisiones de CO 2 mediante tecnologías de separación y almacenamiento del mismo, o técnicas alternativas que utilicen ma- sivamente el CO 2 como materia prima, por ejemplo, para producir combustibles sintéticos o productos químicos de interés comercial. Se discuten a continuación las tecnologías de separación de CO 2 previa a la combustión, posterior a la misma y la combustión con oxígeno en lugar de aire.
La |Tabla II.5| muestra las emisiones específicas de CO 2 en la combustión de distintos combustibles fósiles. El lignito es 2,1 veces más contaminante que el gas natural, la antracita 1,8 veces, la hulla 1,7 veces y el fuelóleo 1,5 veces.
|Tabla II.5| Emisiones específicas de CO 2 en la combustión de combustibles fósiles
En cuanto a la penetración de las centrales térmicas de gas natural con ciclos com- binados en España durante la última década, la potencia instalada actualmente es bastante superior a los 25 GW. En hueco térmico se ha ido reduciendo y de las 4.200 horas/año de operación de los ciclos combinados en 2008, se ha pasado a menos de 2.000 horas anuales en 2011.
Las centrales térmicas con ciclo de vapor supercrítico son comerciales desde hace más de una década. Los primeros grupos de la central térmica de carbón con vapor supercrítico de Niederaussem en Alemania comenzaron a generar electricidad en 2001 con rendimientos superiores al 40%.
Hasta presiones de 190 bar en el evaporador de la caldera el ciclo es subcrítico; existe una mezcla inhomogénea de agua y vapor en el evaporador de la caldera, y se han de separar ambos antes de sobrecalentar éste y llevarlo a la turbina de vapor. El ciclo es supercrítico para presiones del vapor iguales o superiores a 221 bar; el vapor es homogéneo y no es necesario separar el agua inexistente. La patente de genera- dores de vapor supercríticos data de 1922, concedida a Mark Benson. Las centrales térmicas supercríticas tienen bajos niveles de emisión.
Las calderas con ciclos de vapor supercríticos han sido posibles gracias a los avances en nuevos materiales y técnicas de soldadura. Se pueden usar aceros con un 12% de cromo para calderas con presiones del vapor de hasta 300 bar y temperaturas de has- ta 600-620° C. Se usa austenita para condiciones del vapor de hasta 315 bar y 620° C. La utilización de aleaciones con níquel (e.g. Inconel) está indicada hasta presiones del vapor de 350 bar y temperaturas de 700-720° C, logrando eficiencias de hasta el
48%. Fabricantes y usuarios de calderas están cooperando en proyectos de I+D para demostrar la viabilidad de este tipo de plantas.
Se presenta en la |Figura II.1| la proyección de la eficiencia de conversión de las centrales térmicas de carbón con ciclo de vapor supercrítico hasta 2040. Desde una eficiencia media alrededor del 40% en 2010 se espera alcanzar un valor cercano al 47% en 2040. La correspondiente proyección de costes de inversión específicos en centrales de carbón supercríticas estima que variarán desde los 1.850 US$/kW en 2010 hasta alrededor de 1.710 en 2040.
Tecnologías de separación y almacenamiento de CO 2
Una central térmica convencional de carbón de 500 MWe emite en torno a 500 Tm de CO 2 /hora, junto a más de 1.500 Tm de N 2 /hora y cantidades mucho menores de O 2 y H 2 O. Un almacenamiento posterior del CO 2 para evitar su emisión a la atmósfera exige la separación de éste del resto de gases efluentes o, al menos, del mayoritario N 2 inerte.
Para garantizar el uso continuado a largo plazo de los combustibles fósiles es necesa- rio desarrollar y comercializar tecnologías de separación y almacenamiento de CO 2 .
Una central térmica con ciclos combinados integrados con la gasificación del com- bustible fósil utilizado (por ejemplo, carbón o coque de petróleo) incluye como eta- pa previa un proceso en el que se genera un gas de síntesis, mezcla de CO y H 2 . En la central térmica de ELCOGAS en Puertollano, por ejemplo, se quema ese
|Figura II.1| Evolución de la eficiencia de las centrales térmicas de carbón supercríticas
gas sintetizado en la cámara de combustión y los gases calientes, convenientemente tratados y limpiados, mueven una turbina de gas (ciclo Brayton). Se produce además vapor que acciona una turbina de vapor (ciclo Rankine). Ambas turbinas generan electricidad.
La técnica de captura de CO 2 previa a la combustión (precombustión) consiste en separar el carbono del CO del gas de síntesis. Se utiliza una reacción de desplaza- miento del H 2 del agua a H 2 gaseoso. La reacción global es:
CO (g) + H 2 O (v) → CO 2 (g) + H 2 (g)
La reacción (2) fue descubierta en 1780 por Felice Fontana en Italia, y es importan- te para la producción de H 2 muy puro que se utiliza, por ejemplo, en la producción de amoníaco por el proceso de Haber-Bosch.
El CO 2 generado en la reacción de desplazamiento se separa del H 2 . La combustión de H 2 se lleva a cabo en una turbina de gas, que opera a una temperatura significa- tivamente más elevada que cuando se quema gas natural, y es un proceso limpio de generación de energía que emite solamente vapor de agua. El desarrollo de mate- riales para turbinas de gas con buen comportamiento a temperaturas elevadas es un campo de I+D en mucho interés.
En la técnica de separación posterior a la combustión (postcombustión) |Figura II.2| se utilizan productos químicos, como las aminas, para separar el CO 2 del resto de gases efluentes. El CO 2 se comprime y bombea a su destino de almacenamiento. El resto de gases inocuos se emiten a la atmósfera.
La técnica de captura de CO 2 mediante la combustión con oxígeno |Figura II.3| en lugar de aire conlleva, como paso previo, la operación de una unidad de separación del O 2 del N 2 , componentes mayoritarios del aire. El N 2 se emite a la atmósfera o se usa en procesos químicos que lo requieran. El O 2 se inyecta en el hogar, sustituyen- do al aire.
Las temperaturas de llama alcanzadas son bastante superiores en la combustión con O 2 que en la correspondiente con aire. Por esta razón se han de recircular parte de los gases de combustión, con alto contenido de CO 2, al hogar. Los gases efluentes de la cámara de combustión contienen del orden del 94,5% de CO 2 y 5,5% de O 2 proveniente del exceso de aire. Estos gases se pueden almacenar directamente o tras separar el O 2 de los mismos.
Había en 2012 a nivel mundial unos 75 proyectos de demostración de las tecnologías de separación y almacenamiento de CO 2 , incluyendo centrales térmicas de más de 60 MW y plantas piloto de 1 a 50 MW. De ellos alrededor de 8 estaban operativos.
|Figura II.2| Separación de CO 2 en postcombustión
|Figura II.3| Separación de CO 2 mediante oxicombustión
En 2005 se creó en la UE la plataforma tecnológica para promover los proyectos de demostración de centrales térmicas de emisiones nulas (ZEP-Zero Emissions Pla- tform). En 2007 se pensó apoyar económicamente 12 proyectos en 12 ubicaciones diferentes para que todos los Estados miembro de la UE que lo solicitaran no se sin- tieran defraudados. Esa propuesta inviable se convirtió en una más realista en 2009, apoyando solamente seis proyectos de demostración en Italia, Alemania, España, Polonia, Reino Unido y Holanda. En 2012 el proyecto italiano tenía dificultades de obtención de permisos, el alemán problemas de aceptación pública, el español incertidumbre sobre su financiación y el polaco una mezcla de todos los anteriores.
El requerimiento de financiación compartida entre la Unión Europea y los países ha reducido en 2012-2013 los candidatos a apoyos económicos de la Unión a tres, uno en el Reino Unido (Don Valley) y dos en Holanda (ROAD and Green Hydrogen); un cuarto proyecto en Rumania (Getica) se está considerando como un posible can- didato adicional.
El proyecto CIUDEN, en Compostilla (León), se está enfrentando con dificultades de financiación que ponen en riesgo su continuidad. Se han construido dos plantas de oxicombustión, una de carbón pulverizado de 20 MWth y otra de lecho fluidiza- do circulante de 30 MWth. Estas calderas no tienen acopladas turbinas y el vapor generado se ventea a la atmósfera. La operación de dichas plantas ha sido, hasta el momento, muy limitada. Existen también en el mundo grupos de investigación, por ejemplo, en técnicas de oxicombustión en IFRF (International Flame Research Foundation), Penn State y Universidad de California-Merced en EE UU y en la Universidad de Rouen (con apoyo de Air Liquide).
En España el proyecto SCORE (Sustainable Combustion Research), subvencionado dentro del programa CONSOLIDER, investiga oxicombustión, así como la combus- tión de hidrógeno y biomasas. Cinco instituciones investigadoras participan en este proyecto y desarrollan técnicas avanzadas (teóricas, computacionales y experimenta- les) que representan el estado del arte a nivel mundial.
Algunos de los problemas planteados por el almacenamiento de CO 2 están relacio- nados con la evaluación de la capacidad y la seguridad (impermeabilidad, seguimien- to de fugas de CO 2 , etc.) de emplazamientos geológicos apropiados a nivel mundial. Por otro lado, la certificación de los lugares de almacenamiento y las responsabili- dades (liabilities) a muy largo plazo son objeto de debate; los problemas planteados no son muy diferentes de los correspondientes al almacenamiento de combustible nuclear gastado y de residuos nucleares de alta actividad y muy larga vida media.
Los costes específicos de inversión en centrales térmicas de carbón con ciclo de vapor su- percrítico y tecnologías de separación y almacenamiento de CO 2 incorporadas se estima que pueden variar desde los 3.600 US$/kW en 2010 a menos de 3.200 US$/kW en 2040.
Las proyecciones de eficiencia de las mismas centrales supercríticas de carbón pueden variar desde un 32% en 2010 hasta un 37% en 2040 como puede verse en la |Figura II.4|.
Los costes de generación de electricidad en nuevas centrales térmicas sin y con tec- nologías de separación y almacenamiento de CO 2 incorporadas se pueden incremen- tar un 45% con separación previa a la combustión, o con oxicombustión un 83% para carbón pulverizado y un 46% para centrales de gas natural con ciclos combinados.
Posibles medidas regulatorias sobre combustibles fósiles
La regulación y el funcionamiento de los mercados son a menudo auténticos cuellos de botella para el uso de los combustibles fósiles. Algunos temas pertinentes en España son:
• Avanzar en la creación de mercados de hidrocarburos competitivos y liberalizados.
• Medidas anti-competencia y regulación transparente de los oligopolios.
• Vigilancia del sistema de fijación de precios.
• Fecha límite a las ayudas al carbón nacional y promoción de usos alternativos.
• Liberalización de un mercado competitivo de GLP y protección del consumidor.
• Evitar déficit en el sistema gasista.
• Definir un marco administrativo ágil y transparente para la exploración de po- tenciales recursos petrolíferos y gasísticos en España.
• Aumentar la capacidad de interconexiones gasísticas España/Francia.
|Figura II.4| Evolución de la eficiencia de las centrales térmicas de carbón supercríticas con separación y almacenamiento de CO 2
Se puede extraer de lo expuesto anteriormente las siguientes conclusiones:
• Los combustibles fósiles convencionales y no convencionales seguirán dominan- do el suministro de energía primaria a corto, medio y largo plazo.
• La reducción del consumo de petróleo en el sector transporte se logrará con tecnologías alternativas, como los vehículos híbridos o eléctricos, la producción de biocombustibles o de combustibles sintetizados a partir de carbón y de gas, o la generación de hidrógeno y uso en pilas de combustible o motores convencio- nales de combustión interna a turbinas de gas.
• La eficiencia de transformación de los combustibles fósiles en electricidad o cualquier otra forma de energía final ha de aumentar significativamente. Los ciclos de vapor supercríticos o ultra-supercríticos son opciones de presente y futuro
• La viabilidad de las tecnologías de separación y almacenamiento de CO 2 depen- derá, entre otros factores, del precio de la Tm de CO 2 emitida, de la penetración de las energías renovables en el mix de generación eléctrica, de la aceptación pública de la energía nuclear, y de la reducción de los costes de inversión y de generación imputables a la incorporación de tecnologías de captura y almacena- miento de CO 2 .
• En España es esperable un cierre progresivo de las centrales térmicas de carbón has- ta agotar el carbón nacional, un mayor hueco térmico disponible para las centrales de gas natural con ciclos combinados, una actividad creciente en exploración y explo- tación de gas no convencional en varias regiones de la península mediante técnicas de “fracking” y un crecimiento, imposible de cuantificar, del uso del petróleo, que variará en función de las reservas de las Islas Canarias, de la penetración de los vehí- culos eléctricos y de los mercados de biocombustibles y combustibles sintéticos. |•|
1. Energía nuclear
Autor: Francisco José López García
Institución: SNE
Fran CI s Co José lópez G arC ía – sne
Introducción. La Sociedad Nuclear Española
La Sociedad Nuclear Española (SNE) fue fundada en 1974. Es una asociación sin ánimo de lucro y declarada de Utilidad Pública según el artículo 2º.11 del Real De- creto 1786/1996 de 19 de julio.
Está constituida por unos 1.000 socios entre estudiantes, profesionales y retirados. Entre las empresas e instituciones cuenta con más de 60 miembros. Tiene como objetivo la promoción del conocimiento y la difusión de la ciencia y la tecnología nuclear.
Entre sus valores destacan:
• La transmisión de información de forma rigurosa y fundamentada.
• La colaboración entre las organizaciones a nivel nacional e internacional.
• La promoción de puntos de encuentro entre sus socios.
• El trabajo y la combinación de la experiencia y la juventud.
El escenario energético actual
Aunque estamos en un momento en que la situación no es homogénea, sí se puede generalizar en que nos encontramos en un momento de contracción eco- nómica en la OCDE y UE. Por otro lado, las políticas energéticas no consolidadas y los mix energéticos de los países no coinciden y por ello no hay una claridad en los enfoques. Ahora bien, tanto el respeto medioambiental y emisiones CO 2 como la seguridad y garantía de suministro de energía si son focos consolidados a nivel internacional.
AvAnces de IngenIeríA | energía nuclear
Nos encontramos dos perspectivas:
• Los países de la Unión Europea, y por tanto España, en los que la contracción de la demanda energética en el último quinquenio conlleva un estancamiento previsto para el corto y medio plazo.
• En el resto mundo, un crecimiento de la demanda de energía un 25% en la próxima década y también demanda de tecnología.
Las perspectivas comentadas anteriormente suponen que la política de la Unión Eu- ropea esté dirigida al desarrollo de estrategias hacia energías limpias y sostenibles:
hidráulica, solar, eólica, biocombustibles, H 2 y nuclear:
• Reajuste del uso tecnologías de combustibles fósiles a tecnologías captura CO 2 .
• Uso de vehículos híbridos y eléctricos.
• Reducción de emisiones, aumento de la eficiencia y ahorro energético.
• En cuanto a la energía nuclear:
− Actualmente la contribución en Europa es del 30%, y las perspectivas suponen que esté entre el 15%-30% en 2025.
− Programa de construcción de nuevas centrales, lo que comentábamos antes de no homogeneidad de políticas energéticas; unos países tienen programas de construcción y otros de cierre.
− Operación a largo plazo del parque nuclear actual hasta los 60 años mínimo.
− Directrices de seguridad nuclear y residuos radiactivos de publicación en toda la Unión Europea.
− Necesidad de aceptación pública.
La energía nuclear lleva ya más de 50 años. La primera central nuclear entró en funcionamiento en el año 1957. Es una tecnología que proporciona una gran canti- dad de energía por unidad de masa, casi 100 millones de veces más de energía por fisión nuclear que por combustión. La energía se obtiene del calor producido por la pérdida de masa en la reacción nuclear.
En la |Figura III.1| puede verse la evolución de las centrales nucleares, desde los pri- meros reactores prototipo en la década de los 60 y 70, que dio paso a los reactores
|Figura III.1| Evolución de las centrales nucleares
comerciales actuales o de 2ª generación. Estos reactores de 2ª generación son reac- tores de agua ligera (agua normal) y dos tecnologías:
• Agua a presión (LWR-PWR) representada en la |Figura III.2|. Consta de dos cir- cuitos: en el primario el agua pasa por el núcleo del reactor y enfría los elemen- tos combustibles donde se ha producido la reacción nuclear. El agua calentada en el primario, siempre a presiones subcríticas (170 bar y temperaturas ~300°) pasa el generador de vapor en el que se convierte en un segundo circuito de agua en vapor que produce la energía eléctrica en las turbinas y en el generador.
• Agua en ebullición (BWR) representada en la |Figura III.3|. Consta de un solo circuito: la energía se genera en el reactor por la reacción nuclear y el agua que actúa igual que en los de agua a presión como refrigerante pero en este caso en la misma vasija del reactor es donde se produce el vapor que moverá las turbinas.
Los reactores de 2ª generación utilizan uranio enriquecido en el elemento combusti- ble. Por otro lado están los reactores CANDÚ de agua pesada y los reactores rápidos que permiten procesar el combustible gastado.
La tercera generación son las centrales que se han diseñado en la década de los 90 y que se están construyendo actualmente en muchos países aunque conviven con la 2ª generación. Los más conocidos son los ABWR de General Electric, el EPR de Areva
y el AP 1000 de Westing House.
|Figura III.2| Tecnología PWR
En el futuro veremos los reactores que ahora están en fase de desarrollo e investiga- ción y que tomarán el relevo en la década del 2030 que corresponden a la 4ª genera- ción. Y por último los reactores de fusión con el proyecto ITER.
Singularidades de la energía nuclear
La energía nuclear presenta una serie de singularidades con respecto a las otras fuentes de energía. Las reacciones de fisión nuclear crean productos radiactivos, lo que obliga a extremar las medidas de seguridad, y pasa a ser un tema prioritario. Por lo que en todo momento se están controlando las reacciones presentes en el reactor, es necesario de- sarrollar la tecnología de protección radiológica y una vigilancia radiológica ambiental para asegurar que no tiene ningún efecto sobre el público ni el medio ambiente.
El reactor siempre produce calor, incluso cuando está parado, el calor residual, por lo que toda central debe contar con sistemas de extracción de calor disponibles en todo momento.
El núcleo del reactor tiene una carga de combustible suficiente para funcionar hasta 2 años a plena potencia (aprovechando sólo el 5% de su potencial del combustible).
|Figura III.3| Tecnología PWR
Es una industria con una regulación muy estricta:
• Nivel internacional: OIEA, NEA (OCDE), UE/EURATOM.
• Nivel nacional: CSN vela por el cumplimento de la normativa (>25 inspecciones/
año, residentes
Hay que destacar la alta formación y cualificación de los trabajadores del sector, uni- do a una cooperación internacional con el intercambio de conocimiento operativo y la no competencia entre centrales.
Otra singularidad es la comunicación y opinión pública. Actualmente se observa que en los países con mayor número de centrales nucleares la opinión pública es mejor. En primer lugar Finlandia donde actualmente hay cuatro centrales en operación, una está en construcción y está planificado una más. Mientras que los países donde no hay ninguna central en operación tienen peor opinión pública de la energía nuclear. No obstante, si vemos el caso español, que ocupa el 6º lugar de peor opinión pública, es un país que con ocho centrales nucleares pero está entre los que peor opinión tienen. Por lo que se requiere un trabajo continuado de comunicación consistente y de explicación.
Las centrales en el mundo
La situación actual de la energía nuclear son 435 centrales nucleares operando. El 78% de las cuales están en países de la OCDE (31 países). Y hay 67 reactores en construcción (15 países). Si vemos el mapa de la situación actual |Figura III.4|, prácti- camente el 80% está realizándose en China, India, Corea y Rusia. Hay un desplaza- miento de la construcción de occidente a Asia. No obstante es positivo que en Esta- dos Unidos se han autorizado cuatro nuevas centrales que están en construcción, se está finalizando una central en Brasil y otra en Argentina.
Por otro lado hay 240 reactores de investigación en funcionamiento en 56 países.
Las centrales nucleares producen el 18% de la electricidad mundial, actualmente tienen un factor de carga muy elevado:
• 1/4 por encima del 90%.
• 2/3 por encima del 75%.
Claves energéticas globales
Las centrales nucleares se presentan como una solución para el problema del calenta- miento global. Según un estudio realizado por la Agencia Internacional de la Energía
|Figura III.4| Situación de la energía nuclear en el mundo
(AIE o IEA), el calentamiento global es irreversible, pero hay soluciones para reducirlo |Figura III.5|. La estrategia energética actual conlleva un incremento de 6° C (Estrategia 6DS), la primera estrategia supondría mantener las emisiones de CO 2 en 40 Gt de manera que el incremento fuera de solo 4° C. (Estrategia 4DS). La mayoría de la reducción de las emisiones tendría que ser en países no de la OCDE (75%) aunque el 2% correspondería a países de la OCDE. Y por último, la estrategia más favorable, la que permitiría tan solo 2° C de incremento de temperatura (2DS) aunque el esfuerzo necesario sería enorme.
Estrategia energética global
Según la IEA la estrategia energética debe suponer el desarrollo de fuentes de ener- gía inteligentes que permitan que la energía sea más sostenible, con mayor seguri- dad de suministro, aumentar la independencia energética (mayormente de áreas geográficas en conflicto) y que sea competitiva.
La energía nuclear contribuye de manera significativa a la mayoría de los criterios anteriormente comentados. Por tanto la energía nuclear no es el problema sino que forma parte de la solución. En caso de optar por la estrategia 2DS habría que in- crementar la potencia nuclear instalada y pasar de los 400 GW a los 650 GW de capacidad instalada para el 2025, pero aunque es posible no parece creíble por la ralentización de construcción de centrales.
Supondría en primer lugar una gran inversión económica y por otro lado habría un gran reto tecnológico. La última central construida en España es del año 88, por
|Figura III.5| Situación de la energía nuclear en el mundo
lo que nuestra industria tendría que actualizarse y formar para tener empresas y equipos cualificados clase nuclear y elevada exigencia de calidad de fabricación. Las centrales requieren escritas especificaciones de funcionamiento, numerosos proce- dimientos e incorporación de las mejores prácticas, por tanto es una tecnología que requiere un gran desarrollo financiero y tecnológico.
Situación energética en España: Caso nuclear
Todo lo anterior si lo trasladamos a España vemos que con la profunda crisis finan- ciera y en una situación en la que la energía está dominada por combustibles fósiles que suponen una alta dependencia exterior, desde el CSN se aconseja mantener el parque nuclear con las mismas o mejores condiciones de eficiencia y de seguridad.
Ahora bien, el consumo ha caído de manera significativa (los valores actuales se asemejan a los del 2005) y por tanto hay una sobrecapacidad instalada, más de 100.000 MW, mientras que la punta de consumo son 40.000 MWh. Añadir una conexión internacional escasa y que para el sector nuclear es necesaria una regula- ción sostenible y predecible ya que la vida útil de la central está actualmente en 60 años. Y por último el déficit de tarifa es un gran inconveniente para la construcción de nuevas centrales.
Las centrales nucleares españolas están en los mejores niveles de seguridad si las comparamos internacionalmente, en los mejores niveles de eficiencia, y están prepa- radas para una operación a largo plazo hasta 60 años. La energía nuclear representa el 8% del total de capacidad instalada siendo la principal fuente de contribución a la energía producida en el 2012 con un 22%.
El parque nuclear español está constituido por ocho centrales detalladas en la |Tabla III.1|.
|Tabla III.1| Parque nuclear español
POTENCIA (MWe)
ASOCIACIÓN NUCLEAR
ALMARAZ-TRILLO
Sta. María de Garoña
NUCLEONOR
ASCÓ-VANDELLÓS
La energía nuclear presenta una enorme barrera de entrada ya que las centrales nu- cleares están al alcance de muy pocos inversores porque requieren grandes recursos financieros y conocimientos muy especializados, lo que supone un operador nuclear que no puede residir en una sola empresa, sino en un desarrollo tecnológico de un país. Esta elevada inversión inicial e incertidumbres durante la construcción de un proyecto exigen planificación de larga duración.
La inestabilidad de los precios de la energía según en qué áreas geográficas requiere unos contratos a largo plazo para asegurar el retorno de la inversión cuestionado a muy largo plazo
Precisas de selección del emplazamiento: criterios de sísmicos, infraestructuras, red eléctrica, disponibilidad de foco frío, etc.
El accidente de Fukushima ha supuesto la oportunidad de aumentar la seguridad de las centrales nucleares, y de demostrar que la seguridad actual es tremendamente satisfactoria. La Unión Europea reaccionó de manera inmediata y requirió que se llevaran a cabo inspecciones en todas las centrales para asegurar que los sistemas estaban en perfectas condiciones para hacer frente a sucesos similares. También se llevaron a cabo pruebas de resistencia para conocer hasta qué punto las centrales serían capaces de seguir en caso de sucesos mayores que las condiciones de diseño:
• Los informes de las centrales dan respuesta a lo requerido.
• No se ha identificado ningún aspecto que suponga una debilidad relevante de seguridad.
• Las centrales cumplen las bases de diseño y licencia.
• Las centrales tiene suficiente margen de seguridad y margen para aumentarlo como puede verse en la |Figura III.6|. Mayor protección de la planta frente a suce- sos externos, prevención de daño del núcleo frente a pérdida de energía exterior y mitigación de daño del núcleo en caso de pérdida del foco frío.
Pero la industria nuclear aparte de Fukushima sigue mejorando y aumentando su eficiencia y seguridad y está por ello en procesos de continua modernización:
• Refuerzo del estado de áreas seguras: baterías, compresores y grupos electróge- nos portátiles.
• Protocolos de recuperación de energía con REE y centrales hidráulicas.
• Operación manual de equipos de seguridad.
• Aportación de agua por diferentes medios.
|Figura III.6| Ampliación de los márgenes de seguridad
• Nuevo centro de apoyo exterior.
• Nuevo centro de apoyo y gestión de emergencias en las centrales.
• Mejoras de las comunicaciones.
• Venteo filtrado de la contención.
• Aspersión de contención portátil.
• Recombinadores pasivos de H 2 .
• Desarrollo de procedimientos de prevención y mitigación.
Gestión de residuos radiactivos. Combustible gastado y Almacén Temporal Centralizado
Por último comentar el Plan General de residuos radiactivos. ENRESA tiene la res- ponsabilidad en España de la gestión de los residuos radiactivos, lo hace de manera eficiente y dispone de las instalaciones para llevarlo a cabo.
Los residuos de media y baja actividad tienen como destino final el almacén del Cabril; para los de alta actividad, que hasta el momento se encontraban en las pis- cinas de las centrales o en almacenes individuales (ATI) en las centrales, habrá que esperar a que se determine el almacenamiento definitivo, teniendo en cuenta que el año pasado se aprobó la construcción del almacén temporal centralizado (ATC) que
permitirá la adecuada gestión de estos elementos combustibles irradiados, pero que aún disponen de una gran energía.
Por lo que la gestión de los residuos que es un punto muy importante en cuanto a la aceptación pública de la energía nuclear, está correctamente tratada.
Desarrollo energía nuclear
Estrategia europea. Perspectiva socio-económica 2020-2050
La situación actual en la Unión Europea podemos resumirla en:
• 132 centrales nucleares en operación (octubre 2012).
• 122 GWe instalados funcionando principalmente en base 30% de la electricidad producida.
En la |Figura III.7| puede verse la previsión en el año 2012 para la energía nuclear hasta el año 2050, que se caracteriza por:
• Operación a Largo Plazo (LTO) de las centrales actuales a 60 años, lo que permitiría un parque nuclear que suministraría más del 20% de la energía necesaria en la UE.
|Figura III.7| Licenciamiento (con y sin construcción de centrales). Previsión 2012
• Necesidades energéticas eléctricas muy superiores a las actuales por lo que ha- brá que invertir en nuevas centrales.
• Para cubrir las necesidades, deberían alcanzarse los 140 GWe instalados que supondrían:
− un 20% de la electricidad producida.
− la construcción de 100 nuevas unidades.
Oportunidades: negocio y empleo
La energía nuclear es una fuente que genera riqueza, por un lado genera actividad económica, genera valor añadido y genera numerosos puestos de trabajo.
Si tenemos en cuenta todas las actividades relacionadas, vemos que la primera es la del parque nuclear actual. En la UE se estiman unos 500.000 empleos directos e in- directos asociados al sector nuclear. En términos generales darían un valor añadido de 70.000 millones €. Las pruebas de esfuerzo producirán unos 10.000 empleos en la UE es este decenio, y con la operación a largo plazo-modernización, cambio de equipos, etc.- se alcanzarán los 30.000 empleos. También habría que tener en cuenta el desmantelamiento de las centrales así como la gestión de los residuos.
En cuanto a la ampliación del parque actual, la construcción de nuevas centrales en la UE:
• De 100 a 120 centrales nuevas serán necesarias hasta 2050.
• La inversión por central rondará los 5.000M€/año.
• El tiempo de construcción estará en el entorno a los 7 años.
Un sector con alta cualificación y actividades de un elevado valor añadido:
• El personal necesario por central en construcción se estima en 2.700 personas.
− 30 plantas estarán construyéndose en paralelo entre 2025 y 2045 (mejores es- timaciones).
− 90.000 empleos directos.
− 60.000 empleos indirectos.
El sector nuclear español está preparado para afrontar nuevos retos:
• Porcentajes de suministro de equipos y tecnología por empresas españolas supe- rior al 80% en los últimos proyectos nucleares desarrollados (Trillo y Vandellós II).
• Operación a largo plazo del parque nuclear a 60 años.
• Desarrollo de proyectos de aumento de potencia en España y extranjero a cargo de empresas españolas: Laguna Verde (México), Bohunice (Eslovaquia), Almaraz…
• Suministradores de referencia en los nuevos programas nucleares internacionales:
generadores de vapor, válvulas, simuladores…
• Ingenierías para el desarrollo de los nuevos reactores: ESBW, AP1000, EPR.
• Ingeniería de la propiedad en proyectos internacionales: Fenovoima (Finlandia).
• Participación en proyectos de fusión (ITER), investigación (reactores IV) y otros.
• Universidades y centros de investigación (CIEMAT) de prestigio internacional, etc.
El desarrollo del sector nuclear es primordial para la consecución del objetivo de reducción de emisión de carbono marcado por la agencia internacional de la energía:
• Vehículo necesario para la introducción en el sistema productivo de avances tec- nológicos.
• Fuente de desarrollo y dinamización de la economía (empleo e inversión).
• Tecnología preparada y dispuesta.
• Experiencia demostrada. Seguridad Primera Prioridad.
• En constante desarrollo y con índices muy elevados de investigación.
Por tanto es una energía que debe formar parte del mix energético de España. |•|
1. Eficiencia energética en la edificación
Autor: Rocío Fernández Artime
Institución: Energylab
2. Análisis de la evolución y tendencias futuras de la eficiencia energética en España
Autor: Fidel Pérez Montes
Institución: IDAE
R o C ío Fe R nández aR t I me – ene Rgylab
Desde inicios del presente siglo, la Unión Europea se ha planteado unos objetivos generales de reducción del consumo de energía y de las emisiones de CO 2 a la at- mósfera, para lo cual comienza a dotarse de una serie de herramientas, en forma de directivas específicas, que permitan la consecución de dichos objetivos. Directivas tales como la 2002/91 relativa a la eficiencia energética de los edificios [1], cuyos ob- jetivos se centran en la aplicación de unos requisitos mínimos de eficiencia energé- tica en edificios de nueva construcción y su certificación, y como la 2009/28, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables [2], la cual plantea unos objetivos a 2020 de un 20% de mejora de la eficiencia energética, presencia de un 20% de energía procedente de fuentes renovables en el consumo total de ener- gía y un 20% de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (respecto a 1990), se convierten en las principales referencias iniciales de cara a la implantación de medidas y a la adopción de políticas encaminadas hacia la consecución de los ob- jetivos buscados. De ambas, puede concluirse, que los objetivos marcados deberán ser consecuencia de una adecuada combinación de eficiencia energética y uso de fuentes de energía renovables.
En el año 2010, se procede a la derogación de la Directiva 2002/91 y a su refun- dición en la Directiva 2010/31 [3], de forma que, además de los objetivos fijados en la primera, se añaden los de certificación energética de edificios existentes y la exigencia de que después del 31 de diciembre de 2018, para los edificios de nueva construcción propiedad de la Administración Pública, y después del 31 de diciembre de 2020, para todos los edificios de nueva construcción en general, estos edificios sean edificios de consumo de energía casi nulo.
Esta directiva, en su artículo 2, define como edificio de energía casi nula a un “edi- ficio con un nivel de eficiencia energética muy alto, en el que la cantidad de energía casi nula o muy baja de energía requerida debería estar cubierta, en muy amplia me-
AvAnces de IngenIeríA | eficiencia energética
dida, por energía procedente de fuentes renovables, incluida energía procedente de fuentes renovables producida in-situ o en el entorno”. Considerando, a su vez, como “energía procedente de fuentes renovables a aquella procedente de fuentes no fósi- les, es decir, energía eólica, solar, aerotérmica, geotérmica, hidrotérmica y oceánica, hidráulica, biomasa, gases de vertedero, gases de plantas de depuración y biogás”.
Además, esta Directiva no sólo hace referencia a los edificios de nueva construcción, sino que, en su artículo 9, cita que “los Estados miembros […] adoptarán medidas […] para estimular la transformación de edificios que se reforman en edificios de consumo de energía casi nulo”. Considerando que las actuaciones llevadas a cabo en materia de rehabilitación de edificios deberá sustentarse sobre una base de rentabili- dad económica, tal y como especifica el Reglamento 244/2012 [4], que complemen- ta la Directiva 2010/31, y que establece un marco metodológico comparativo para
calcular los niveles óptimos de rentabilidad de los requisitos mínimos de eficiencia energética de los edificios y de sus elementos. Es decir, que la rehabilitación de edi- ficios debe estar dotada de instrumentos de mercado que garanticen su rentabilidad
y la sostenibilidad en el tiempo de aquellas empresas y profesionales dedicados a esta actividad.
Por otra parte, en el Plan de Eficiencia Energética 2011 de la Unión Europea [5], se cita explícitamente a la eficiencia energética como una de las formas más rentables de reforzar la seguridad del abastecimiento energético y de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y de otras sustancias contaminantes. Y es que, por ejemplo, la mejora del 13% de la eficiencia energética de los consumidores finales que tuvo lugar en la UE-27 entre 1996 y 2007 equivalió a un ahorro energético del orden de unas 160 Mtep [5]. Por este motivo, la Unión se ha fijado como objetivo para 2020 ahorrar un 20% de su consumo de energía primaria con respecto a las previsiones consideradas; esto es, la consecución de un ahorro de 368 Mtep de energía primaria hasta 2020 con respecto al consumo que había sido previsto para el año 2007 (1.842 Mtep).
No obstante, en las conclusiones del Consejo Europeo de 4 de febrero de 2011 se alertó de que la UE lleva camino de conseguir sólo la mitad de ese objetivo del 20% |Figura IV.1| , por lo que a partir de ese año la Unión Europea comienza con la
elaboración de un nuevo plan global de eficiencia energética, cuya actuación más reciente ha sido la aprobación en octubre de 2012 de la Directiva 2012/27 relativa a
la eficiencia energética [6].
Los objetivos generales de esta Directiva 2012/27 pueden resumirse en:
• Relanzar objetivos de directivas anteriores ante el posible incumplimiento de incrementar en un 20% la eficiencia energética para el año 2020.
• Preparar el camino para mejoras posteriores de eficiencia energética más allá de ese año.
|Figura IV.1| Estimaciones de reducción del consumo de energía primaria y objetivo de reducción a 2020
• Establecimiento de normas destinadas a eliminar barreras en el mercado de la energía y a superar deficiencias del mercado que obstaculizan la eficiencia en el abastecimiento y el consumo de energía.
• Que los organismos públicos a nivel nacional, regional y local sirvan de ejemplo en lo que se refiere a la eficiencia energética, ya que los edificios de titularidad u ocupación pública representan alrededor del 12% en superficie de los edificios existentes en la UE.
En cuanto a aspectos concretos relevantes de la misma, pueden citarse:
• La renovación de edificios en la Administración Pública:
− A partir del 1 de enero de 2014, el 3% de la superficie total de los edificios con una superficie útil total de más de 500 m 2 con calefacción y/o sistema de refrigeración que tenga en propiedad y ocupe su Administración central debe renovarse cada año. − Dicho límite bajará a 250 m 2 a partir del 9 de julio de 2015.
• La realización de auditorías energéticas y sistemas de gestión energética:
− Fomento para que todos los clientes finales puedan acceder a auditorías ener- géticas de elevada calidad, con una buena relación entre coste y eficacia, y realizadas de manera independiente por expertos cualificados y/o acreditados con arreglo a unos criterios de cualificación. − Además, se velará porque se someta a las empresas que no sean PYME a una auditoría energética realizada de manera independiente y con una buena ren-
tabilidad por expertos cualificados y/o acreditados o ejecutada y supervisada por autoridades independientes con arreglo al Derecho nacional a más tardar el 5 de diciembre de 2015, y como mínimo cada cuatro años a partir de la fecha de la auditoría energética anterior.
• La contabilización de energía:
− Asegurar que los clientes finales de electricidad, gas natural, calefacción urba- na, refrigeración urbana y agua caliente sanitaria reciban contadores individua- les que reflejen exactamente el consumo real de energía del cliente final y que proporcionen información sobre el tiempo real de uso.
• Los servicios energéticos:
− Fomento del mercado de los servicios energéticos y facilitar el acceso a éste de las PYME:
- Difundiendo información clara y fácilmente accesible sobre contratos de servicios energéticos disponibles e instrumentos financieros, incentivos, sub- venciones y préstamos en apoyo de los proyectos de servicios de eficiencia energética.
- Alentando la creación de etiquetas de calidad.
- Poniendo a disposición del público y actualizando periódicamente una lista de proveedores de servicios energéticos disponibles que estén cualificados o certificados.
− Los Estados miembros se asegurarán de que los distribuidores de energía, los gestores de redes de distribución y las empresas minoristas de venta de energía se abstengan de toda actividad que pueda obstaculizar la demanda y la presta- ción de servicios energéticos u otras medidas de mejora de la eficiencia ener- gética, o bien pueda obstaculizar el desarrollo de mercados de tales servicios o la aplicación de tales medidas, de manera que no se pueda cerrar el mercado a los competidores o abusar de posición dominante.
• Otras medidas de fomento de la eficiencia energética:
− Los Estados miembros evaluarán y tomarán en su caso las medidas adecuadas para suprimir barreras reglamentarias y no reglamentarias que se opongan a la eficiencia energética.
− Plan Estratégico Nacional de Rehabilitación de Edificios.
− Fondo Europeo de Eficiencia Energética.
Así, identificando el sector de la edificación como un sector crucial para alcanzar los objetivos de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, ya que éste representa del orden del 40% del consumo de energía final de la Unión Europea [3], la Directiva 2012/27 insta a los Estados miembros a crear una estrategia a largo plazo (para después de 2020) destinada a movilizar inversiones en la renovación de edificios residenciales y comerciales para mejorar el rendimiento energético del parque inmobiliario, llevando a cabo renovaciones exhaustivas y rentables, ya que la consecución de los objetivos marcados no será posible sólo con las actuaciones que puedan llevarse a cabo en la nueva edificación. Y es que el parque inmobiliario
existente constituye el ámbito con mayor potencial de ahorro de energía dentro del sector de la edificación.
De esta forma, el año 2020 constituirá el primer paso hacia la consecución de los ob- jetivos de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, respecto a 1990, entre un 80% y un 95% para 2050 [6], a lo cual el sector de la edificación deberá contribuir de manera importante.
En términos nacionales y de acuerdo con los últimos datos definitivos disponibles correspondientes a 2008 [7], el sector de la edificación español supone del orden de un 26% del consumo de energía final total del país, esto es, 24.770 ktep frente a un total de 94.334 ktep. Este porcentaje global se desglosa, aproximadamente, en un 16% consumido en los edificios del sector residencial y en un 10% consumido en los edificios del sector terciario y servicios [7], estimándose un posible potencial de ahorro, combinando actuaciones de mejora de aislamientos con renovación de instalaciones térmicas y de iluminación, superior al 60%.
Hasta ese año 2008, este sector venía ocupando el tercer puesto en términos de consumo de energía final por detrás del transporte y de la industria, pero si se tienen en cuenta los datos provisionales para los años 2009 y 2010 [7], además del avance correspondiente al año 2011 [7], puede observarse un cambio de tenden- cia debido a la disminución del consumo de energía final del sector industrial y al incremento de dicho parámetro en el sector de la edificación, que ofrece como resultado que este último sector pase a ocupar el segundo puesto, en detrimen- to del sector industrial, en cuanto al consumo de energía final en España (en el avance de datos de 2011. El sector de la edificación supone del orden del 30% del consumo de energía final total del país, con 25.762 ktep frente a un total de 86.062 ktep). En la |Figura IV.2| se muestra la evolución del consumo de energía final en España entre los años 2000 y 2011, en el que puede apreciarse un des- censo progresivo de este parámetro desde el año 2008 asociado al descenso de la actividad económica del país.
En la |Figura IV.3| se detalla la evolución desglosada del sector de la edificación, en términos del ámbito residencial y en términos del ámbito comercial, servicios y Ad- ministraciones Públicas, en la que se puede apreciar, de acuerdo con el avance de datos del año 2011, que, para ese año, el ámbito residencial supone prácticamente un 19% del consumo de energía final en España y que el ámbito terciario y de servi- cios supone del orden de un 11%.
Por su parte, el reparto promedio de energía en el sector de la edificación |Figura IV.4| dependerá en gran medida del uso final del edificio, aunque, en general, los sistemas de climatización, de producción de agua caliente sanitaria (ACS) y los de iluminación son los que llevan asociados un mayor consumo energético [8 y 9].
|Figura IV.2| Evolución del consumo de energía final en España 2000-2011
Fuente: Elaboración propia a partir de los datos del documento “Balances energéticos anuales. Período 1990-2011”de IDAE
Al objeto de actualizar las transposiciones pendientes de directivas europeas y de adecuarse a las exigencias del marco normativo europeo en materia de eficiencia y ahorro energético en la edificación, se aprueba, en el mes de abril de 2013, el RD 233/2013 por el que se regula el Plan Estatal de fomento del alquiler de viviendas, la rehabilitación edificatoria y la regeneración y renovación urbanas 2013-2016 [10], el RD 235/2013 por el que se aprueba el procedimiento básico para la certificación de la eficiencia energética de los edificios nuevos y existentes [11], y el RD 238/2013 por el que se modifican determinados artículos e Inspección Técnica (IT) del RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios) [12]. Además, este Plan Estatal de Vivienda 2013-2016, a través de las distintas líneas de ayudas que prevé, debe constituirse como una de las herramientas fundamentales en la implantación
|Figura IV.3| Evolución del consumo de energía final en España 2000-2011 correspondiente al sector de la edificación
de medidas enfocadas hacia la rehabilitación de envolventes e instalaciones, así como
a la implantación de tecnologías que aprovechen fuentes renovables de energía en
los edificios. Así, las líneas fundamentales de actuación en cuanto a la reducción de
demandas y al incremento de la eficiencia energética en los edificios, pueden resu-
mirse en la |Figura IV.5|:
• Diseño, concepción y aspectos constructivos del edificio.
• Implementación de sistemas de alta eficiencia energética.
• Aprovechamiento de fuentes renovables de energía.
• Control y gestión de las instalaciones.
• Mantenimiento y optimización.
|Figura IV.4| Reparto de consumos energéticos en función del tipo de edificio
Fuentes:“Análisis del consumo energético del sector residencial en España”, IDAE (2011);“Estudio sobre la eficiencia energética en los edificios de uso administrativo en Galicia”, INEGA (2012)
|Figura IV.5| Pirámide de actuaciones en materia de eficiencia energética en los edificios
Actuaciones de eficiencia energética en edificios
Las medidas pasivas se tratan, en general, de los primeros pasos que deben darse, tanto en nueva edificación como en rehabilitaciones, de forma que mediante la im- plantación de medidas de eficiencia energética en los elementos pasivos del edificio puedan reducirse todo lo posible las demandas energéticas del mismo.
Estas actuaciones son aquellas adaptadas al tipo de edificio, a su uso y al clima del lugar, que captan, almacenan y distribuyen la energía sin requerir el aporte de ener- gía externa a través de equipos u otras instalaciones.
Son soluciones bioclimáticas que se incorporan de manera natural al diseño del edificio y permiten reducir su demanda. Muchas de estas soluciones están relacio- nadas con la arquitectura tradicional adaptada al medio y, entre ellas, cabe desta- car las siguientes:
• Ubicación e interacción con otros edificios del entorno.
• Aislamiento térmico de alto rendimiento.
• Inercia térmica.
• Aprovechamiento de la luz natural.
• Reducción de la carga solar en verano.
• Aprovechamiento solar en invierno.
Para el aprovechamiento de las medidas pasivas, que sólo con mejoras de la envol- vente térmica pueden llegar a proporcionar ahorros energéticos del orden de hasta un 70% [13], además es necesario realizar un correcto dimensionamiento de las necesidades energéticas del edificio en cuestión, que se realizará en base a herra- mientas de simulación dinámica a partir de las cuales sea posible evaluar las distintas estrategias de diseño, desde un punto de vista energético, previas al diseño final.
Estas herramientas de cálculo y simulación, han alcanzado actualmente un grado de desarrollo que, en manos expertas, permite realizar un análisis detallado de los edificios y fachadas más complejos con una gran rapidez, con lo que arquitectos e ingenieros pueden evaluar diferentes soluciones para los edificios, seleccionando las mejores de ellas para reducir el consumo energético en la fase de diseño, sin dismi- nuir el confort de los usuarios.
Una vez realizado el cálculo minucioso de las demandas energéticas del edificio y dimensionados los sistemas de climatización e iluminación, será necesario determi- nar las mejores estrategias activas a implementar cuándo las condiciones del interior conseguidas mediante las estrategias pasivas no resulten suficientes para alcanzar el confort térmico necesario.
En lo referente al sistema de climatización, éste es el encargado de garantizar que las condiciones ambientales en el interior del edificio en cuanto a temperatura, nivel de humedad y salubridad del aire, son las adecuadas para las condiciones de confort requeridas por sus ocupantes en función de la actividad que vayan a desarrollar.
A nivel agregado en España, el consumo en climatización supone, sólo en los hoga-
res, del orden de un 7,7% del consumo energético final total [7 y 8], por lo que la implantación de medidas de eficiencia energética en esta dirección tiene un elevado potencial de ahorro energético. A continuación se describen algunas de las tecnolo- gías que permiten la satisfacción de la demanda de calor y/o frío en los edificios de una manera eficiente y sostenible.
En cuanto a la captación solar para aprovechamiento térmico en edificios, su rendi- miento dependerá de las condiciones de radiación térmica del emplazamiento don- de se ubique. En el territorio nacional, la radiación térmica alcanza unos valores medios diarios de entre unos 3,8 y más de 5 kWh/m 2 ·día [13], lo cual sería suficiente para climatizar una superficie igual habitada. Sin embargo, no toda esa energía es ín- tegramente captable ni convertible en energía útil para el usuario ni tampoco todos los edificios disponen de tanta superficie expuesta al sol, especialmente en un entor- no urbano. Si se limita el objetivo a la preparación de agua caliente sanitaria (ACS),
la radiación media disponible en las latitudes en las que se sitúa el territorio español
es suficiente para cubrir en un alto porcentaje la demanda existente. En cualquier caso, deberá cumplirse lo establecido en el Documento Básico de Ahorro y Energía sección HE4 del Código Técnico de la Edificación en lo referente a la contribución mínima para ACS [14].
A nivel europeo, y en un escenario intermedio, se estima que la energía solar térmica
podría llegar a proporcionar 1.047 TWh de energía final en 2050 [15], que repre- sentaría en torno al 26% de la energía térmica de baja temperatura demandada en
la UE-27.
Entre las tecnologías con mayor potencial de ahorro en climatización destaca la utili- zación de la tecnología de bomba de calor. Se trata de equipos que permiten extraer calor de un medio a baja temperatura, ya se trate por ejemplo del aire exterior en el caso de la bomba calor aerotérmica, o del subsuelo en la bomba de calor geotérmica, y cederlo a un medio a mayor temperatura, como el aire interior a calentar del edifi- cio, a costa de un aporte de trabajo externo. Se caracterizan además por realizar esta función con una elevada eficiencia en comparación con los sistemas convencionales de generación térmica.
Las instalaciones con bomba de calor en edificios pueden utilizarse para aportar calor, tanto para calefacción como para la producción de ACS, y también para su
enfriamiento. Este puede hacerse utilizando una bomba de calor reversible, o bien, un sistema de enfriamiento pasivo.
De acuerdo con la Directiva 2009/28 relativa al fomento del uso de energía pro- cedente de fuentes renovables, los aprovechamientos aerotérmicos, geotérmi- cos o hidrotérmicos para bomba de calor serán considerados como aprovecha- mientos “de energía procedente de fuentes renovables para la calefacción y la refrigeración […] siempre que la producción final de energía supere de forma significativa el consumo de energía primaria necesaria para impulsar la bomba de calor” [2].
En su anexo VII, esta directiva detalla la metodología de cálculo de la cantidad de calor que se ha de considerar como energía procedente de fuentes renovables en usos con equipos de bomba de calor. En este anexo se establece que “la cantidad de energía aerotérmica, geotérmica o hidrotérmica capturada por bombas de calor que debe considerarse energía procedente de fuentes renovables”, deberá calcularse de acuerdo con la siguiente fórmula (1):
E res = Q usable x (1 – 1/SPF)
• E res : cantidad de energía procedente de fuentes renovables.
• Q usable : calor útil total proporcionado por la bomba de calor.
• SPF: coeficiente de prestaciones medio estacional proporcionado por la bomba de calor.
Aclaración: sólo se tendrán en cuenta aquellas bombas de calor para las que el SPF > 1,15·(1/η); siendo η el valor de la eficiencia del sistema de energía, es decir, el cociente entre la producción total bruta de electricidad y el consumo primario de energía para la producción de electricidad, cuyo valor en 2010 se ha fijado en 0,455 (45,5%) y que es el valor que deberá utilizarse hacia 2020.
Así, para las bombas de calor accionadas eléctricamente, sólo aquellos equipos que, en las condiciones de operación que correspondan, permitan obtener el siguien- te coeficiente de prestaciones medio estacional (SPF (2)), podrán ser considerados como un aprovechamiento de energía para bomba de calor procedente de fuentes de energía renovables:
SPF > 1,15 · (1/η) > 1,15 · (1/0,455) > 2,5
En las bombas de calor accionadas mediante energía térmica (bien directamente, o bien mediante la combustión de combustibles), la eficiencia del sistema de energía
(η) se considera igual a 1. Así, el SPF mínimo de las bombas de calor accionadas térmicamente para que éstas puedan considerarse como un aprovechamiento de energía renovable, es 1,15.
En la Decisión de la Comisión 2013/114, de 1 de marzo de 2013, se establecen las directrices para el cálculo por parte de los Estados miembros de la energía renovable procedente de las bombas de calor, indicando cómo deben estimar los Estados miembros los parámetros Q usable y el factor de rendimiento esta- cional (SPF), teniendo en cuenta las diferencias de las condiciones climáticas
|Figura IV.6|[16].
Si se sustituye el ciclo de compresión mecánico de la bomba de calor por un pro- ceso de compresión termoquímica se tendría el funcionamiento de la máquina de absorción |Figura IV.7|. El modo de operación de la máquina de absorción es como el de la bomba de calor convencional pero el proceso de accionamiento de la fase de compresión se realiza mediante un aporte de calor, en vez de mediante un consumo de energía eléctrica.
|Figura IV.6| Zonas climáticas y valores de SPF de algunas tipologías de bomba de calor accionadas eléctrica y térmicamente para la estimación por parte de los Estados de la UE de la cantidad de energía renovable suministrada por la tecnología de bomba de calor en su territorio
Fuente:“Decisión de la Comisión 2013/114 por la que se establecen las directrices para el cálculo por los Estados miembros de la energía renovable procedente de las bombas de calor de diferentes tecnologías”; UE (2013)
|Figura IV.7| Ciclo completo de refrigeración de una máquina de absorción LiBr-H 2 O
Fuente:“Eficiencia Energética y Energías Renovables en Rehabilitación de Edificios”- Capítulo 2.4.3, Arcadio García Lastra (ATECYR); Editado por EnergyLab (2012)
Sin duda, su aprovechamiento más ventajoso resulta cuando la fuente de calor nece- saria para la realización del proceso proviene de calores residuales, aunque es tam- bién habitual su combinación con fuentes renovables de energía, como por ejemplo en el caso de disponer de una instalación de captadores solares térmicos, aplicación que se conoce habitualmente por frío solar, y que consiste en el aprovechamiento de energía solar en épocas estivales, cuando la radiación solar incidente es mayor y la demanda de refrigeración es elevada, para la producción de refrigeración a partir del aporte térmico de dichos captadores para el accionamiento de la máquina de absorción.
Otra de las alternativas para mejorar la eficiencia energética y la sostenibilidad de las instalaciones de climatización es el cambio de combustible, en especial en el caso de
la utilización de residuos orgánicos o biomasa ya que ésta es considerada como una fuente renovable de energía.
El uso de biomasa en calefacciones de viviendas, como calefacciones centralizadas de edificios o en redes de calefacción centralizadas, es una alternativa a los consu- mos energéticos convencionales. En general, este tipo de instalaciones energéticas con biomasa generan un ahorro económico al usuario superior al 30-40%, respecto al uso de combustibles fósiles como fuente de energía, pudiendo alcanzar niveles mayores en función del tipo de biomasa, la tecnología empleada, el lugar |Figura 8| y el combustible fósil sustituido.
Por último, para mejorar el rendimiento del sistema de calefacción puede plantear- se también, tanto a nivel doméstico como terciario, el aprovechamiento del calor residual producido en el proceso de generación eléctrica para climatización o ACS en el propio punto de consumo. Esta tecnología, conocida como microcogenera- ción, se ha escalado con éxito a pequeñas potencias, llegando a integrarse de manera sencilla en los edificios [17]. Gracias al desarrollo tecnológico, la tradicional planta de cogeneración industrial se ha miniaturizado y encapsulado convirtiéndose en un equipo compacto que se instala en una sala de calderas como un generador térmico más y que opera de forma totalmente automática y transparente al usuario y a la red eléctrica. Estos equipos de microcogeneración generan electricidad en paralelo con la red y simultáneamente cubren con calor residual la demanda térmica base del edificio, dejando a otro sistema de generación térmica la cobertura de las puntas de demanda.
En cuanto a la elección de uno u otro sistema de entre los mencionados anterior- mente, o de alguna otra alternativa tecnológica existente, ésta deberá realizarse sobre un análisis de detalle basado en criterios energéticos, medioambientales, de sostenibilidad, económicos y logísticos para cada una de las alternativas ini- cialmente planteadas. De forma que se disponga de toda la información nece- saria en base a la cual realizar la elección final del sistema generador térmico a implementar (o un híbrido de sistemas), ya que dependiendo del tipo de edificio, de su ubicación geográfica, de los usos a los que está destinado, de su ocupación, de la disponibilidad de explotación de fuentes de energía renovables locales, etc., podrán resultar diferentes soluciones finales adaptadas a sus características particulares.
De acuerdo con la visión global que debe tenerse en cuanto a la eficiencia energéti- ca en los edificios, además de la implementación de sistemas generadores térmicos eficientes, será fundamental que los sistemas de distribución térmica, que son los elementos encargados de transmitir el calor o el frío a los espacios habitados con el objetivo de ofrecer el confort térmico requerido a los usuarios, permitan un funcio- namiento optimizado de los sistemas de generación térmica.
|Figura IV.8| Mapa de recurso de pellets en España
Fuente:“La biomasa en España en el sector terciario y mercado residencial”; CREED (2011)
De este modo será necesario tener en cuenta la instalación de sistemas emisores tér- micos cuyo diseño y parámetros de operación, en cuanto a temperaturas de trabajo se refiere, permitan obtener los mayores rendimientos o coeficientes de prestacio- nes de los equipos de generación de calor y/o frío a los que se conecten.
Estos sistemas eficientes de distribución térmica están relacionados, fundamental- mente, con superficies radiantes (suelo, pared o techo) |Figura IV.9|, ya que al dis- poner de una superficie de intercambio mayor que los sistemas convencionales es posible aportar la misma energía térmica pero a un nivel de temperaturas inferior en el caso de la calefacción (del orden de los 35-40ºC) y a un nivel de temperaturas superior en el caso de la refrigeración (del orden de los 16-18ºC), lo cual redunda en unas menores pérdidas y en una mayor eficiencia del sistema. No obstante, deben tenerse en cuenta sus posibles limitaciones de implantación, sobre todo, en trabajos de rehabilitación, de forma que, en esos casos, puede optarse por so- luciones técnicas intermedias como radiadores de baja temperatura (45-50ºC de
|Figura IV.9| Termografía de un suelo radiante en funcionamiento en un edificio de oficinas en Vigo (Pontevedra)*
* Obtenida en marzo de 2012 con 7º C de temperatura exterior y 19,5º C de temperatura interior, en la que puede apreciarse la homogeneidad de las temperaturas de la superficie del suelo (22 a 24º C)
Fuente: EnergyLab
temperatura de impulsión), termoconvectores (40-45º C de temperatura de impul-
sión) o fan-coils (40-45º C y 10-15º C de temperatura de impulsión en calefacción
y refrigeración, respectivamente).
Otro de los consumos principales que se tienen en los edificios, tanto a nivel resi- dencial como para usos terciarios, es el consumo destinado a iluminación. El por- centaje de consumo eléctrico destinado a iluminación varía entre un 5% y un 10%
en residencial hasta porcentajes cercanos, o incluso superiores, al 50% para oficinas
y otros usos en terciario, como hoteles y comercios, donde el consumo eléctrico es el principal [13].
Las nuevas tecnologías de iluminación permiten minimizar el consumo energéti- co, y por tanto, mejorar la sostenibilidad de la instalación, especialmente median- te la incorporación de la tecnología LED y tecnologías de control de iluminación, que permiten una reducción de los consumos energéticos de hasta el 50% frente
a sistemas convencionales, como la iluminación incandescente, y de hasta un 30%
frente a la iluminación de tipo fluorescente, que se trata de los tipos de ilumina- ción más habituales en el sector residencial y en el sector terciario, respectiva-
mente |Figura IV.10|.
Por último, una vez seleccionado el equipamiento a implantar en el edificio, debe prestarse especial atención a una adecuada regulación y control de la instalación, que permita gestionar de forma eficiente y optimizada el sistema en su totalidad garantizando el confort de los usuarios.
|Figura IV.10|
Evolución de la eficiencia energética de las distintas fuentes de iluminación
La gestión energética es un procedimiento organizado de previsión y control del consumo de energía, y la inexistencia de un control adecuado en los sistemas de ilu- minación, climatización, etc. es responsable de un excesivo consumo energético en un gran número de edificios y viviendas.
El objeto de la gestión energética en la edificación es:
• Alcanzar la mayor eficiencia en el suministro, conversión y utilización de la ener- gía, manteniendo los niveles de confort para los ocupantes.
• Conocer con precisión los consumos y usos de las distintas fuentes energéticas, a nivel global y a nivel de proceso.
• Predecir los incrementos de energía que se producirán.
• Permitir la comunicación del sistema con redes de telecomunicación externas.
• Establecer un programa de eficiencia energética.
Un mejor control en las zonas de ocupación permite conseguir de manera consisten- te un entorno confortable para los ocupantes del edificio además de garantizar un adecuado funcionamiento de los distintos sistemas que en él se integran, pudiéndose incorporar estrategias de eficiencia energética. Por ejemplo, la implantación de un correcto sistema de control de climatización (con termostatos o crono-termostatos, control en función de la variación de la temperatura exterior, la hora del día, la zona de la casa o la presencia de personas, aviso de ventanas abiertas cuando está activada la climatización…) puede conseguir un ahorro en la factura de un 15-35% en com- paración con sistemas de control ineficientes.
Entre los diferentes sistemas a implementar destacan los sistemas integrados de gestión como son la domótica, en los edificios residenciales, y la inmótica, en los edificios de usos terciarios; o los sistemas de monitorización de consumos.
La domótica facilita la gestión integrada de los diferentes dispositivos del hogar: la iluminación, los toldos y persianas, la calefacción, el aire acondicionado, los sistemas de riego, los sistemas de seguridad, etc. Mediante una consola portátil o incluso con el mando de la televisión, puede controlarse todo el sistema domótico cómodamente desde un sofá.
En cuanto a los sistemas de monitorización de consumos, que se pueden integrar con los sistemas de gestión domóticos o inmóticos, permiten monitorizar el con- sumo de agua, de combustibles y el consumo eléctrico de todos los electrodomés- ticos, iluminación, sistemas de comunicaciones, refrigeración y/o calefacción, etc. Esto permite hacer una gestión personalizada del consumo (por franjas horarias, diario, mensual, etc.), así como detectar malos funcionamientos de los equipos del hogar. Además, constituye el primer paso hacia el ahorro, ya que sin un co- nocimiento en detalle de los consumos energéticos existentes resulta imposible cuantificar los ahorros energéticos obtenidos por la implantación de medidas de eficiencia energética.
Una vez reducido el consumo energético mediante la selección de los mejores equi- pos y de la implementación de un sistema de gestión y monitorización, el siguiente nivel prestacional se conseguiría mediante la utilización de recursos energéticos de origen renovable para satisfacer las demandas energéticas existentes.
Estos recursos renovables dependen del entorno inmediato de los edificios y de la ubicación de los mismos. En base a la disponibilidad de recursos energéticos reno- vables en el ámbito geográfico español, se considera el aprovechamiento energético en los edificios de las siguientes fuentes energéticas, fundamentalmente: la genera- ción mediante paneles solares fotovoltaicos, el aprovechamiento del recurso eólico mediante aerogeneradores minieólicos, la implementación de sistemas geotérmicos o el aprovechamiento del recurso forestal de la biomasa.
Existen instrumentos normativos en pro de la eficiencia energética para la conse- cución de los objetivos marcados por la Unión Europea, así como la concienciación
y la voluntad en cuanto al desarrollo económico asociado a la eficiencia energética,
por lo que surgen unas grandes oportunidades para el sector de la edificación. Sin embargo, se hace necesaria una mayor voluntad e implicación a nivel nacional para ciertas transposiciones en los plazos marcados y que éstas recojan plenamente el espíritu de las correspondientes directivas, por lo que, para ello, será necesario que
la eficiencia energética se convierta en una de las prioridades de los gobiernos nacio- nales y que, a través de ella, pueda incrementarse la competitividad de las empresas
y la generación de empleo cualificado, garantizando un crecimiento sostenible.
Las soluciones en favor de la eficiencia energética de los edificios son a menudo
complejas desde el punto de vista técnico, sobre todo, en materia de rehabilitación
y renovación, por lo que habrá que prestar una especial atención a la adecuada for-
mación de todos los agentes del sector (arquitectos, ingenieros, auditores, técnicos, instaladores,…), tanto en actuaciones pasivas como en la integración de nuevos sis- temas y tecnologías eficientes para que su posible combinación con otros sistemas ya existentes resulte una combinación optimizada y adecuadamente controlada y gestionada. En edificios de nueva construcción se hace necesaria la incorporación de conceptos de eficiencia energética desde la fase de diseño y concepción del edificio.
Por otra parte, y de forma necesariamente complementaria a estas consideraciones, no resulta de menor importancia que los usuarios de los edificios sean plenamente conscientes de su parte de responsabilidad en cuanto a un uso eficiente y optimizado de las instalaciones energéticas.
En cualquier caso, las decisiones deberán tener en cuenta los correspondientes cri- terios de rentabilidad económica y de costes ambientales, de forma que, en este contexto, el modelo de negocio asociado a las ESE deberá jugar un papel funda- mental en la implantación mayoritaria en los edificios de sistemas eficientes energé- ticamente.
Por último, y para completar los requerimientos de bajas demandas energéticas, de elevadas eficiencias en los sistemas consumidores de energía y de aprovechamiento de energías renovables en los edificios, los futuros instrumentos normativos deberían in- corporar a sus requerimientos conceptos como los de análisis de ciclo de vida y energía embebida asociada a materiales constructivos y sistemas energéticos. De esta forma, sería posible disponer de una visión completa de los impactos energéticos y medioam- bientales asociados a la vida útil total de los edificios que ocupamos. |•|
FI del pé Rez m ontes – I dae
Coyuntura de la EE en España
La eficiencia energética es una de las prioridades energéticas tanto en España como en el resto del mundo en este momento. En la |Figura IV.11| podemos ver la balanza comercial española desde el año 2005. Se observa que el nivel de vida venía ligado a unas importaciones no a una ganancia en la productividad. En el año 2012 se con- siguió mediante las políticas energéticas del momento que la balanza de lo que no es energía fuera positiva aunque la energía seguía siendo negativo y se traduce en el déficit actual y por tanto el desempleo.
|Figura IV.11|
Balanza comercial española (M€)
Actualmente hay una situación de DESAJUSTE y hay que tener en cuenta que:
• La eficiencia energética ayuda a resolver los grandes problemas macroeconómi- cos (paro, dificultad de financiación).
• El desajuste en el mercado eléctrico: actualmente tenemos la misma producción eléctrica que en 2006 pero el coste de la misma se ha duplicado.
• Los dos grandes objetivos de la política de eficiencia energética actual son:
− Sustitución de importación energética. Mediante el cambio de los combusti- bles fósiles por combustibles autóctonos como la biomasa que actualmente es un recurso infravalorado y además se limpiarían los bosques y se evitarían incendios. Y utilizar la acumulación como el “district heating” que son las cli- matizaciones gestionadas mediante empresas de servicios energéticos. − Mayor utilización del sistema eléctrico, objetivo en el que se encuadra la actual directiva de Certificación Energética: Los niveles de consumo son los mismos que en el año 2005, por lo que interesa invertir en sistemas de geotermia y aerotermia para reducir también la importación energética. Igualmente se me- jorará la utilización del sistema eléctrico mediante el concepto de edificio con consumo casi nulo que es ya una realidad en Europa.
Hay que tener en cuenta que en la balanza comercial no solo intervienen los pro- ductos petrolíferos sino también el precio de barril de petróleo y el cambio €/$, por lo que hay que intentar desvincular el gas natural del índice de precios del petróleo. En la |Figura IV.12| está representado el consumo final por sectores, y podemos ver el peso significativo de las renovables que aunque ahora mismo tienen el problema de la retribución, se llegará a una participación del 35% y al ser una fuente autóctona no hay que pagar divisas y se evitará el cambio €/$.
El mayor esfuerzo para mejorar la balanza comercial se debe hacer en el sector Re- sidencial y sector Servicios como puede verse en la |Figura IV.12| dado el potencial de uso de energías autóctonas.
La distribución de generación en el sector eléctrico, muestra que el régimen espe- cial y nuclear cubren casi el 90% de la producción energética.
Medidas tomada por IDAE en distintos sectores:
El principal objetivo en materia de eficiencia energética en el sector industria es In- centivar a las empresas a realizar proyectos plurianuales de inversión en tecnologías de ahorro y eficiencia energética.
|Figura IV.12| Consumo final 2011 por sectores
Entre los años 2006 y 2010 se llevó a cabo un total de 1.936 auditorías en el sector industrial e inversiones sectoriales. El IDAE participó en el desarrollo tecnológico de la marca eólica junto con Gamesa o Alstom así como en la cogeneración y sec- tores aislados de la industria como azulejeras o industria de cerámica. La inversión asociada a la realización de las auditorías supuso casi 22 M€.
Citar como ejemplo el ahorro de energía conseguido en la Industria Química Facto- ría Ercros S.A. Mediante la sustitución de tecnología de mercurio para producción de cloro-potasa por una tecnología basada en electrolizadores de membranas, en la factoría Ercros S.A. de Sabiñánigo (Huesca):
• Instalación de dos electrizadores de membrana con capacidad de producción máxima de 3,9 t Cloro/hora.
• Incorporación de depuración secundaria en el circuito de salmuera.
• Acondicionamiento del circuito de cloro.
• Instalación de planta de concentración de la potasa para obtener potasa comer- cial al 50%.
Datos Energéticos y Económicos:
• Proyecto finalizado en 2010.
• Ahorro energético: 6.043 MWh/año.
• Ahorro económico: 2,6 M€/año.
• Fórmula: financiación Mercantil y contrato de arrendamiento de servicios.
• Inversión IDAE: 18,42 M€.
• Retorno estimado de la inversión: 26,58 M€.
En cuanto a medidas de eficiencia energética en el sector transporte, desde el IDAE se está trabajando en la implementación de biocombustibles una vez pasados los 10 años de exoneración fiscal, y también en la introducción del gas natural licuado o a presión. Esta última medida se basa en las expectativas de bajada de precio del gas natural en Estados Unidos. En la |Tabla IV.1| están recogidas las distintas medidas.
• También mediante la colaboración en la introducción del gas natural licuado (GNL) en el transporte marítimo para grandes consumidores se favorecerá la bajada de precio del mismo.
• Se trata de la primera iniciativa empresarial de gran dimensión para introducir el GNL como combustible en el transporte marítimo en España.
|Tabla IV.1| Medidas de eficiencia energética en transporte.
• El proyecto supondría la sustitución de motores en siete buques con una inver- sión de 29 M€. La inversión en infraestructura portuaria sería llevaba a cabo por el suministrador energético.
• El proyecto responde a las indicaciones de la COM (2013) 18/2 “Proposal for a Directive of the European Parliament and the Council on the deployment of alternative fuels infrastructure” destinada a fomentar combustibles alternativos en el transporte.
• El proyecto supone un importante impacto ambiental y económico.
Y por último el programa de incentivos al vehículo eficiente (PIVE) que por primera vez se ha llevado a cabo de manera electrónica y de manera general para todo el territorio. El programa consta de dos etapas, la primera de 75 M€ y la segunda de 150 M€, de la cual se ha consumido ya 40 M€ y se espera que esto sea un cambio de tendencia. Remarcar que los gastos de gestión se han reducido al máximo, siendo de máximo 2 € por expediente, cuando otras gestiones semejantes estaban por 100 €, y los concesionarios reciben el importe en un plazo máximo de 15 días desde que solicitan electrónicamente.
En el tema residencial, las iniciativas están dirigidas a la iluminación, como ejemplo la reforma de Alumbrado Exterior Municipio de Soto Del Real:
• Gestión integral de instalaciones de alumbrado exterior de un municipio a través de una Empresa de Servicios Energéticos (ESE).
• Actuación: sustitución de lámparas de vapor de sodio y vapor de mercurio por sistemas LED.
• Replicabilidad: extrapolación a 295 municipios españoles de más de 25.000 ha- bitantes representaría actuar sobre 360.000 MWh/año de consumo eléctrico aso- ciado. Con inversiones asociadas superiores a 500 M€. Las ESE gestionarían una facturación anual superior a 40 M€ en suministro de electricidad y 90 M€ en operaciones de mantenimiento.
Datos Económicos y Energéticos:
• Inversión efectuada: 2.032.148 €.
• Consumo inicial: 1.982.472 kWh/año.
• Consumo final previsto: 404.580 kWh/año.
• Ahorro energético obtenido: se ha conseguido un ahorro del 80 % cuando las previsiones eran del 50%.
• Coste de la ESE: 391.002 euros anuales (baja del 10,7%).
• Duración del contrato: 20 años
• Empresa adjudicataria: Ferroser Ferrovial Servicios.
Sector Doméstico y Edificios
Y por último las medidas encaminadas al sector doméstico y edificios están basadas en la nueva política energética en edificios marcada desde la Unión Europea:
• Directiva 2010/31/UE de Eficiencia Energética en Edificios: El 40% del consu- mo total de energía en la Unión corresponde a los edificios. El sector se encuen- tra en fase de expansión, lo que hará aumentar el consumo de energía. Por ello, la reducción del consumo de energía y el uso de energía procedente de fuentes renovables en el sector de la edificación constituyen una parte importante de las medidas necesarias para reducir la dependencia energética de la Unión y las emisiones de gases de efecto invernadero.
• Directiva 2012/27/UE de Eficiencia Energética. La Unión se enfrenta a retos sin precedentes debido a una creciente dependencia de las importaciones de energía y a la escasez de recursos energéticos, así como a la necesidad de limitar el cambio climático y superar la crisis económica. La eficiencia energética es un medio valioso para superar estos retos. Mejora la seguridad de abastecimiento de la Unión al reducir el consumo de energía primaria y las importaciones de ener- gía. Asimismo, ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero de manera rentable en relación con los costes, y de este modo, a mitigar el cam- bio climático. El cambio a una economía más eficiente en el consumo de energía también debe acelerar la difusión de soluciones tecnológicas innovadoras y me- jorar la competitividad de la industria de la Unión, impulsando el crecimiento económico y creando empleos de alta calidad en varios sectores relacionados con la eficiencia energética. Cabe destacar las siguientes medidas:
− Fijación de objetivos nacionales indicativo (Art. 3).
− Estrategia a largo plazo para la renovación del parque nacional de edificios (Art. 4).
− Renovación anual del 3% de edificios de la AGE (Art. 5).
− Sistemas de obligaciones de eficiencia (Art.7).
− Auditorías y sistemas de gestión energética, contadores y facturación (Arts.
− Promoción de la cogeneración y mejora de la eficiencia en la transformación, transporte y distribución de energía.
Para el caso particular español, la nueva política energética en edificios se recoge en los siguientes planes:
• Certificación Energética de Edificios, vigente desde 1 de junio de 2013, recien- temente aprobado mediante Real Decreto. Los propietarios de los inmuebles
|Figura IV.13| Consumo interior bruto menos consumos no energéticos
deberán disponer de un certificado de eficiencia energética para vender o alqui- lar los mismos.
• Plan Integral de Vivienda y Suelo, del Ministerio de Fomento.
• Plan de Rehabilitación energética de edificios de viviendas existentes del IDAE, presentado en el Consejo de Ministros de 5 de abril de 2013.
Con el fin de promover actuaciones integrales que favorezcan la mejora de la eficien- cia energética y el uso de energías renovables en el parque de edificios existentes del sector residencial, así como cumplir con el artículo 4 de la Directiva 2012/27/UE, re- lativa a la eficiencia energética, el Ministerio de Industria, Energía y Turismo, a través del Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), pone en marcha un programa específico de ayudas y financiación, dotado con 125 millones de euros.
• Las actuaciones deberán encuadrarse en una o más de las tipologías siguientes:
• Mejora de la eficiencia energética de la envolvente térmica.
• Mejora de la eficiencia energética de las instalaciones térmicas y de iluminación.
• Sustitución de energía convencional por biomasa en las instalaciones térmicas.
• Sustitución de energía convencional por energía geotérmica en las instalaciones térmicas.
Las actuaciones objeto de ayuda deben mejorar la calificación energética total del edificio en, al menos, 1 letra medida en la escala de emisiones de dióxido de carbono
(kg CO 2 /m 2 año), con respecto a la calificación energética inicial del edificio. Esta mejora de su calificación energética podrá obtenerse mediante la realización de una tipología de actuación o una combinación de varias.
• Las personas físicas y jurídicas propietarias de edificios de uso residencial (de uso hotelero y de uso vivienda).
• Las comunidades de propietarios o las agrupaciones de comunidades de pro- pietarios de edificios residenciales de uso vivienda, constituidas conforme a lo dispuesto por el artículo 5 de la Ley 49/1960, de 21 de julio, de Propiedad Ho- rizontal.
• Los propietarios de viviendas unifamiliares o los propietarios únicos de edificios de viviendas que reúnan los requisitos establecidos en el artículo 396 del Código Civil y no hubiesen otorgado el título constitutivo de propiedad horizontal.
• Las empresas de servicios energéticos.
El tipo de ayuda dependerá del tipo de actuación, así:
• Mejora de la eficiencia energética de la envolvente térmica, se ayudará bajo la modalidad combinada de entrega dineraria sin contraprestación y préstamo reembolsable.
• Mejora de la eficiencia energética de las instalaciones térmicas y de iluminación; se ayudará bajo la modalidad de préstamo reembolsable.
• Sustitución de energía convencional por biomasa en las instalaciones térmicas, se ayudará bajo la modalidad de préstamo reembolsable.
• Sustitución de energía convencional por energía geotérmica en las instalaciones térmicas, se ayudará bajo la modalidad de préstamo reembolsable.
El Fondo de Cartera F.I.D.A.E. es un fondo dotado con cerca de 123 M€ que tiene como propósito financiar proyectos de desarrollo urbano sostenible que mejoren la eficiencia energética, utilicen las energías renovables y que sean desarrollados por empresas de servicios energéticos (ESEs) u otras empresas privadas.
Se trata de un Fondo cofinanciado por FEDER e IDAE y operado por el Banco Eu- ropeo de Inversiones (BEI). Este fondo financiará todas las inversiones directamen- te relacionadas con el aumento de la eficiencia energética y la utilización de energías renovables en entornos urbanos y es compatible con otras fuentes de financiación públicas o privadas, así como con subvenciones cofinanciadas o no por el FEDER.
Para que un proyecto sea financiable, deberá cumplir las siguientes condiciones:
• Estar ubicado en una de las 10 comunidades autónomas incluidas en F.I.D.A.E.- (Andalucía, Islas Canarias, Castilla y León, Castilla-La Mancha, Ceuta, Comuni- dad Valenciana, Extremadura, Galicia, Melilla y Región de Murcia)
• Estar incluido en alguno de los siguientes sectores:
− Edificación: edificios públicos y edificios privados.
− Industria: empresas de cualquier tamaño.
− Transporte: infraestructuras, equipamiento y flotas de transporte público y pri- vado (para uso público).
− Infraestructuras de servicios públicos relacionados con la energía:
• Alumbrado público exterior y semáforos.
• Infraestructura local, inclusive redes inteligentes y Tecnología de Informa- ción y Comunicaciones (TIC) relacionadas con los temas prioritarios.
• Formar parte de alguno de los temas prioritarios:
− Proyectos de Eficiencia Energética y gestión de la energía:
• Renovación de edificios existentes, con actuaciones en la envolvente térmica, instalaciones de calefacción, refrigeración, iluminación, etc.
• Edificios nuevos con una calificación energética A o B.
• Renovación o extensión de redes de calor o frío existentes.
− Proyectos de Energía Renovable:
• Solar fotovoltaica si se integra en un proyecto de eficiencia energética.
− Proyectos relacionados con el transporte limpio que contribuyan a la mejora de la eficiencia energética y el uso de energías renovables (infraestructuras de re-
carga eléctrica para vehículos eléctricos o híbridos enchufables, recuperación de energía eléctrica de la frenada de transporte público eléctrico, gestión de flotas, autobuses eléctricos o híbridos, etc.)
• Garantizar un aceptable retorno a la inversión.
• Estar incluidos en planes integrados de desarrollo urbano sostenible.
• No estar finalizados a la hora de recibir la financiación.
Por otro lado están los Fondos Europeos que pretenden favorecer el paso a una eco- nomía baja en carbono, cuyo objetivo es fortalecer la cohesión económica, social y te- rritorial dentro de la UE a través de la corrección de desequilibrios entre las diferentes regiones y cuenta con un presupuesto de 2.600 M€ - 5.000 M€ para los años 2020.
Hay que empezar a plantearse que la eficiencia energética puede ser un “buen ne- gocio” y una posible herramienta anticíclica.
El IDAE va a ser el encargado de financiar las medidas encaminadas a la eficiencia energética y que puede ser una gran oportunidad para la sociedad civil:
• Por la creación de ESEs.
• Reducción de costes en todos los sectores.
• Creación de empleo.
• Sociedad Nuclear Española SNE: www.sne.es
• Jóvenes Nucleares JJNN: www.jovenesnucleares.org
• Women in Nuclear WIN: /www.winspain.es
• Foro de la Industria Nuclear Española: www.foronuclear.org
• Organismo Internacional de Energía Atómica OIEA: www.iaea.org
• Agencia de Energía Nuclear (NEA) OCDE: www.nea.fr
• World Energy Outlook (Agencia Internacional de la Energía AIE):
• World Nuclear Association WNA: www.world-nuclear.org
• WANO: World Association of Nuclear Operators: www.wano.org.uk
[1] Directiva 2002/91/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de di- ciembre de 2002, relativa a la eficiencia energética de los edificios.
Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 23 de abril de 2009, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables.
[3] Directiva 2010/31/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 19 de mayo de 2010, relativa a la eficiencia energética de los edificios.
[4] Reglamento 244/2012 de la Comisión, de 16 de enero de 2012, relativa a la eficiencia energética de los edificios, estableciendo un marco metodológico comparativo para calcular los niveles óptimos de rentabilidad de los requisi- tos mínimos de eficiencia energética de los edificios y sus elementos.
[5] Plan de Eficiencia Energética 2011 de la UE.
[6] Directiva 2012/27/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 25 de oc- tubre de 2012, relativa a la eficiencia energética.
[7] Balances energéticos anuales. Período 1990-2011; IDAE.
[8] Análisis del consumo energético del sector residencial en España. Informe Final; IDAE (2011).
[9] Estudio sobre la eficiencia energética en los edificios de uso administrativo en Galicia; INEGA (2012).
[10] RD 233/2013, de 5 de abril, por el que se regula el Plan Estatal de fomento del alquiler de viviendas, la rehabilitación edificatoria y la regeneración y renovación urbanas.
[11] RD 235/2013, de 5 de abril, por el que se aprueba el procedimiento básico para la certificación de la eficiencia energética de los edificios.
[12] RD 238/2013, de 5 de abril, por el que se modifican determinados artículos e IT del RITE.
[13] Eficiencia energética y energías renovables en rehabilitación de edificios; EnergyLab (2012).
[14] RD 314/2006, de 17 de marzo, por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación.
[15] Potential of solar termal in Europe; Werner Weiss y Peter Biermayr (2009).
Decisión de la Comisión 2013/114, de 1 de marzo de 2013, por la que se esta- blecen las directrices para el cálculo por los Estados miembros de la energía renovable procedente de las bombas de calor de diferentes tecnologías.
[17] Protocolos de actuación para la implantación de tecnologías eficientes y re- novables en la rehabilitación de edificios; EnergyLab (2012).
José Ignacio Linares, Yolanda Moratilla y Antonio Arenas, los tres directores que ha tenido hasta ahora la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas.
Desde la Asociación de Ingenieros del ICAI se lleva trabajando varios años en la publicación de monografías, incluidas en la colección Avances de Ingeniería, que contribuyan a diseminar los avances que en diversos terrenos de la Ingeniería se vienen produciendo, ayudando así a la for- mación permanente de profesionales que de esta manera se mantienen al día en la vanguardia tecnológica.
La Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas de la Universidad Pontificia Comillas tiene la vocación de servir al debate y la reflexión acerca del problema de las fuentes de energía, el abastecimiento energético y su sostenibilidad en el medio y largo plazo, junto con la contribución que a la resolución de estos problemas brindan las Nuevas Tecnologías Energéticas reduciendo las emisiones inherentes a las transformaciones energéticas e incrementando la eficiencia de tales transformaciones, redundando así en un menor consumo de recursos. Así, la creación de una serie de monografías desarrolladas a partir de la Jornada Anual que desarrolla la Cátedra ofrece un material de excepcional importancia para tener una visión del estado del arte de las tecnologías energéticas más relevantes del momento, como punto de partida para el debate y la reflexión.
Este volumen, Una década de análisis de las tecnologías energéticas, es el duodécimo de la serie Análisis de situación y prospectiva de nuevas tecnologías energéticas que pretende ser una de las respuestas que tanto desde la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas como desde la Asociación de Ingenieros del ICAI se plantean a la problemática descrita.
Patrocina la Cátedra:
de Ingenieros del ICAI
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