Kyoto in the Home – Guía del profesor – Capítulo 3 1/19

Capítol 3 Fuentes de energía renovables

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Introducción

Las fuentes de energía renovables son abundantes, extensas, no contaminantes y disponibles a nivel local. Surgen directamente o indirectamente del sol y incluyen la luz, el calor y el viento. Se pueden utilizar para producir calor directamente sin ningún tipo de proceso de conversión o se pueden transformar en electricidad. Las tecnologías que usan el sol directamente son:

• Placas solares que absorben el calor del sol para proporcionar agua caliente • Células fotovoltaicas que usan la luz del sol para generar electricidad

Les tecnologías que usen el sol indirectamente incluyen:

• Turbinas de viento que convierten el aire en electricidad. El viento es el movimiento del aire debido a diferencias de temperatura (térmicas) como son las diferentes temperaturas sobre la tierra y el mar;

• La biomasa a través de los cultivos que necesitan la luz del sol para crecer y son quemados para producir calor;

• Bombas de calor que concentren el calor de baja temperatura que el aire, la tierra o el agua han absorbido durante el verano para proporcionar calor a los edificios durante el invierno.

Las diversas tecnologías se describen brevemente en orden y a continuación se enumeran las ventajas de la producción local de calor y electricidad. 3.1 Energía solar

El sol se formó hace 5 billones de años. Es la estrella más próxima a la Tierra, ubicada a 150 millones de quilómetros de distancia. Su diámetro es100 veces más grande que el de la Tierra. La energía que emite el sol proviene de una cadena de reacciones de fusión nuclear que se producen dentro de su núcleo. Cuando esta energía llega a la superficie del sol, su poder equivale a 66 millones de watts/m2. Esta radiación, o energía radiante, se dispersa a medida que viaja lejos del sol. Cuando llega a la atmósfera terrestre su poder medio ha disminuido hasta 1360 watts/m2. Cuando llega a la superficie terrestre, la atmósfera refleja y absorbe parte de la radiación de manera que, en un día soleado, su poder medio es solamente de 1000 watts/m2. La energía radiante del sol contiene un espectro entero de diferentes longitudes de onda y esta compuesto de pequeños paquetes o partículas de energía denominados fotones. La luz esta compuesta por las longitudes de onda visibles por el ojo humano. La luz viaja a una velocidad de 300.000 km/segundo. El sol calienta la tierra, los mares, los lagos, los ríos y el aire durante el verano. Consecuentemente, esta inmensa reserva térmica está disponible durante los meses fríos y es esta calor la que puede ser concentrada mediante bombas de calor.

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Actividad 3.1: Nota la energía del sol

Atención: Nunca mires directamente al sol.

La energía radiante del sol llega a la tierra. • medida aproximada de la tierra

Tareas: En un día soleado, siéntate de cara al sol y cierra los ojos. Ponte un trozo de cartulina delante la cara y después retírala. ¿Qué sientes en la cara? ¿Cómo puedes describir las percepciones de estas energías invisibles? Apuntes para el profesor: Acordaros de decir a los alumnos que mirar directamente al sol puede ser peligroso. Antecedentes: La energía radiante emitida por el sol llega a la tierra. Los objetivos de esta actividad son: • Notar la abundancia de la energía radiante del sol. • Debatir percepciones (calor, luz, hormigueo, áreas sensibles, transferencia, etc.). Material: un trozo de cartulina para cada alumno Palabras clave: energía, calor, luz y energía radiante. Habilidades: Percepción, descripción, debate. Asignaturas del currículum educativo: naturales. Rango de edad: a partir de 7

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3.2 Sistemas renovables de calefacción y refrigerac ión

Hay tres sistemas de conversión que producen calor: • Absorción de la luz del sol para producir agua caliente – agua caliente sanitaria • Concentrar el calor de baja temperatura presente en la tierra, aire y agua – bombas de calor • Quemar biomasa como madera pelets de madera – biomasa Todos estos sistemas se pueden ser incorporados en el hogar y pueden satisfacer una parte o todas las necesidades de calefacción. La elección del sistema dependerá del tipo de vivienda, su orientación y su ubicación. Siempre es más rentable reducir las necesidades de calor que plantearse la instalación de un nuevo sistema de calefacción. Esto nos asegurará que puede ser instalado el sistema de calefacción más pequeño posible, que tendrá tanto un bajo coste inicial como un bajo coste de funcionamiento. El calentamiento solar del agua comprende una serie de una o más placas planas en las cuales el agua se calienta directamente por la porción infrarroja de la luz del sol. Aún que el beneficio solar llega al punto más alto en verano, la proporción durante el invierno también es importante, excepto en el norte de Europa. Las placas solares térmicas es mejor montarlas sobre el tejado y orientadas hacia el sur y a poder ser se han de evitar aquellas orientadas de sudeste a sudoeste. Si la casa tiene un jardín orientado al sur, también será posible instalar las placas, que normalmente miden 2 metros x 1 cada una de ellas. Las bombas de calor que usan el aire como fuente de calor se pueden instalar en el muro exterior de una casa o en el jardín. Para las bombas de calor geotérmicas es conveniente un acceso a un jardín o espacio común ya que el colector ha de ir enterrado horizontalmente o insertado verticalmente a una perforación. Para recoger el calor de una fuente acuática, el agua de un riachuelo o lago circula a través de les tuberías del colector. Cuanto mayor sea la salida de calor, mayor será la tubería colectora. Las bombas de calor son reversibles de manera que pueden coger el calor de una habitación o edificio y dispersarla a baja temperatura por los alrededores y así refrigerarlo. Mientras que al centro y al norte de Europa normalmente la refrigeración no es necesaria, existe una gran necesidad en el sur de Europa. Para quemar biomasa es necesaria una caldera con un extractor de humos convencional o bien un fuego abierto con una chimenea para poder ventilar los gases de combustión. Estos gases podrían incluir sustancias como óxido nitroso o óxido de azufre y también partículas dependiendo del nivel de combustión. Su uso debería estar limitado a las áreas urbanas que solamente tienen áreas de aire limpio. Como la biomasa resulta ser muy voluminosa, conviene que se disponga de espacio para almacenar una cantidad suficiente para diversos meses. Generalmente, se necesita el doble del volumen de almacenamiento del petróleo, ello son diversos metros cúbicos. 3.3 Fuentes renovables de electricidad

Existen dos opciones de conversión • Convertir la luz del sol en electricidad usando placas fotovoltaicas • Convertir la energía del viento en electricidad utilizando una turbina de viento. Ambas son suficientemente compactas para ubicarlas en casa. Aunque todavía es difícil que satisfagan la demanda eléctrica total, la energía que impulsa estos procesos es renovable y gratuita de manera que su uso reducirá la factura de electricidad. Placas fotovoltaicas El lugar más adecuado para colocar células solares es en una pared o tejado orientado al sur que mira directamente la luz del sol la mayor parte del día. Una orientación suroeste seria más favorable

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que una de sudeste, ya que el sol acostumbra a ser más cálido por a tarde que durante la mañana. Otras orientaciones como este o oeste son las menos adecuadas y generaran menos electricidad. A continuación se muestran valores de insolación a diferentes puntos de la Península Ibérica:

• Huelva 5,2 kWh/m2 día • Cantabria 3,2 kWh/m2 día • Barcelona 4,4 kWh/m2 día

La Mayorga de las cases instalarían un o dos metros cuadrados de placas. Normalmente es factible instalar placas fotovoltaicas en la mayoría de los tejados y muros exteriores. Energía eólica La capacidad para convertir la energía del viento en electricidad dependerá de la dirección del viento predominante. La manera más fácil de determinar la dirección del viento es colocando una bandera sobre un palo en el punto donde se desea instalar una turbina (ver Figura 3.1). La cantidad de viento en cualquier lugar depende de la distancia a los edificios más próximos en la dirección predominante del viento. La mejor ubicación es un acceso abierto de manera que pueda ser capturada toda la fuerza del viento. Las ubicaciones próximas a la costa reciben las velocidades más altas de viento y tienen más viento. El que es importante no es la velocidad mayor, sino el número de horas que la velocidad del aire esta por encima de 4 m/s. Por tanto, por ambas razones es útil hacer una estimación de la velocidad media del viento del lugar deseado.

Figura 3.1: Estimar la velocidad del viento desde e l ángulo que vuela una bandera

1-2 m/s 4 m/s 8 m/s

La velocidad del viento se obtiene del ángulo de la bandera

Indicador de dirección

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Actividad 3.2: La capacidad del viento en tu escuel a Actividad 3.2: La capacidad del viento en tu escuela

El viento cambia durante el día y de día en día, tanto en lo que se refiere a la fuerza como a la dirección. El viento también se ve afectado por la ubicación y la altura de cualquier edificio y árboles próximos. ¿Hay suficiente viento en tu escuela para que pueda ser utilizado para hacer funcionar una o más pequeñas turbinas de viento? El método más sencillo para poder obtener una estimación de la velocidad del viento es utilizando una bandera, a no ser que seas tan afortunado de tener a disposición un anemómetro, un dispositivo que mide la velocidad del viento.

Tarea:

- haz una bandera de ’un metro de largo aproximadamente y 0’3 de ancho de un material adequatadecuado - haz un indicador que te muestre la dirección del viento - monta el ’indicador de la dirección arriba de un palo adecuado asegurándote que puede

rotar libremente - planta el palo y asegúralo con cuerdas - coloca la bandera

- anota la velocidad y la dirección del viento en intervalos regulares a lo largo del día durante diversos días (estima la velocidad del viento observando la manera como vuela la bandera –mira el texto principal de la Figura 3.1-)

- si es posible, planta el palo en otro lugar, repite lo mismo y compara los resultados - calcula la velocidad media del viento a partir de tus resultados - ¿qué ubicación sería más apropiada para colocar un pequeña turbina de viento? Apuntes para el profesor:

Antecedentes: La variación de la velocidad del viento a lo largo de períodos de tiempo que van desde segundos hasta días hace que sea difícil de medir. De todas formas ilustra un aspecto importante de las fuentes de energía renovable respecto a la disponibilidad y fiabilidad y ello puede llevar a un debate interesante sobre que tipo de estilo de vida es posible si solamente se depende de las fuentes de energía renovable. Objetivos de la actividad: Cualificar la energía eólica local Material: tela de algodón para la bandera; palos que se puedan unir para hacer un palo de bandera de 3 m; madera para el indicador de la dirección del viento; cuerdas y fijaciones para fijar verticalmente el palo; polea para elevar la bandera. Palabras clave: velocidad del viento, energía renovable Habilidades: observación, análisis, deducción Asignaturas del currículum educativo: matemáticas, naturales, geografía Rango de edad: 9-13, 2º y 3º ciclo

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Actividad 3.3: Idoneidad de las fuentes renovables de calor en tu casa Actividad 3.3: Idoneidad de las fuentes renovables de calor en tu casa

Las fuentes de energía renovables utilizan el calor del sol directamente o indirectamente. El dibujo ilustra diferentes maneras de proporcionar calor en casa.

Tareas:

Examina el dibujo y debate con tu grupo lo que observas. Completa la hoja de ejercicios explicando brevemente las ventajas e inconvenientes de utilizar cada fuente de calor. Identificar la fuente de calor doméstica más adecuada para vuestras cases. Anota una o más razones del porqué es más adecuada

Si ello no es posible para alguna de las casas, ¿en qué soluciones podemos pensar? Apuntes para el profesor:

Antecedentes: Esta actividad es para estudiar la idoneidad de las fuentes de energía renovables en casa. El objetivo de la actividad es:

• Identificar las diversas opciones renovables de calefacción • Comprender las ventajas e inconvenientes de cada modo de calefacción • Comparar las opciones para diversos tipos de cases Material: Un dibujo ilustrando las tres posibilidades de calefacción y una hoja de ejercicios Palabras clave: tipos de fuentes de calor, agua caliente, calentamiento del espacio, tipo de vivienda, capacidad de contribución al calentamiento de casa. Habilidades: Trabajo en grupo, establecer relaciones entre los elementos, observación, debate, interpretación y análisis Asignaturas del currículum educativo: naturales, sociales, lenguas Rango de edad: 8-11, 2º y 3º ciclo

captador solar térmico

bomba de calor geotérmica

caldera de biomasa

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Hoja de ejercicios 3.3: Idoneidad de las fuentes r enovables de calor en tu casa Hoja de ejercicios 3.3: Idoneidad de les fuentes renovables de calor en tu casa

Considera el dibujo de las fuentes renovables de calor en esta vivienda e identifica las ventajas e inconvenientes de cada uno.

Completa la Tabla 1

Tabla 1: Ventajas e inconvenientes de diversas fuentes de energía renovable

biomasa bombas de calor solar térmica

Ventajas

Inconvenientes

Considera las casas de cada compañero de tu grupo y debatir cual puede ser la fuente renovable más adecuada. Después, completa la Taula 2.

captador solar térmico

bomba de calor geotérmica

quemador de biomasa

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Tabla 2: Idoneidad de fuentes renovables para tu casa

biomasa bombas de calor solar térmica

Nombre

Tipo de casa Razón de porqué es adecuada o no ----------- Nombre

Tipo de casa Razón de porqué es adecuada o no ---------------- Nombre

Tipo de casa Razón de porqué es adecuada o no ------------- Nombre

Tipo de casa Razón de porqué es adecuada o no ------------

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Actividad 3.4: Sostenibilidad de las fuentes de cal or Actividad 3.4: Sostenibilidad de las fuentes de calor

Hay diversas maneras de proporcionar calor al agua y al espacio: quemando combustibles fósiles, utilizando electricidad o fuentes de energía renovable Actualmente, el sistema de calentamiento más habitual a Cataluña es el gas, el cual hemos de importar.

Ya que los combustibles fósiles tardan millones de años en sedimentar, no parece correcto usar el que queda durante tu vida sin dejar nada a las generaciones futuras. En esta actividad comparamos la diferencia entre obtener calor directamente y indirectamente del sol. Tareas

1. Haz una lista de todas las fuentes de calor que tu grupo pueda identificar 2. Decide que fuentes son renovables y cuales no 3. Haz una lista de las ventajas e inconvenientes de cada fuente

4. Ordena las fuentes según la contaminación medio ambiental y la disponibilidad 5. ¿Cuáles serían las mejores fuentes para Cataluña de cara a los próximos 50 años?

Da una razón para el uso de cada una Apuntes para el profesor:

Antecedentes: Esta actividad es para entender la disponibilidad de recursos y los efectos de la contaminación de diversas fuentes de calor El objetivo de esta actividad es:

• Identificar la disponibilidad de cada fuente y si es renovable o no • Entender el impacto medioambiental de ’utilizar cada fuente para producir energía • Animar a los alumnos a pensar en un uso sostenible de los recursos y en dejar parte de éstos a

las próximas generaciones Material: Papel y lápiz; un diagrama ilustrando cada fuente de energía Palabras clave: tipo de recursos, diferencias entre fuentes renovables y no renovables, vínculo entre el uso energético y el impacto medioambiental; sostenibilidad; mirar 50 años en adelante y desarrollar una estrategia apropiada Habilidades: Trabajo en grupo, observar, debatir, interpretar y analizar. Asignaturas del currículum educativo: naturales Rango de edad: 8-11, 2º y 3º ciclo

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Hoja de ejercicios 3.4: Sostenibilidad de las fuent es de calor Hoja de ejercicios 3.4: Sostenibilidad de las fuentes de calor Observa los diagramas de cada fuente de calor Debate sobre las diversas fuentes de calor con tu grupo y completa la tabla siguiente Disponibilidad - corta (20 años); mediana (50 años); larga (100 años) Impacto medioambiental – gases invernadero; contaminación local; partículas; residuos Uso actual – haz una lista de los tipos de fuentes que los compañeros de tu grupo usan actualmente

Uso futuro – ¿cómo crees que esto cambiará en un período de 50 años? Por qué?

Fuente Disponibilidad Impactos

medioambientales

Lo que

actualmente

utilizas

Lo que

crees

que

podrías

utilizar

de aquí

a 50

años

Por qué

esta

elección

Petróleo Gas

Madera electricidad

directa Energía solar directa

Calentamiento solar indirecto (bomba de calor)

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3.4 Aplicación de energías renovables en los edific ios

Las medidas solares pasivas pueden ayudar a reducir el sobrecalentamiento durante el verano en climas cálidos y a incrementar el beneficio solar en invierno. Las técnicas pasivas, como sugiere su nombre, incluyen medidas que solamente requieren de la aportación de energía inicial. Como el aislamiento, pueden potenciar la estructura de la vivienda y asegurar su sostenibilidad durante un largo período de tiempo. A continuación se ilustra el potencial de incorporar medidas solares pasivas en casar. Dependiendo de como se abran las ventanas, puede ser que puedan ser instalados porticones o persianas que evitaran que la luz del sol entre directamente en la estancia durante el día. Además, los porticones pueden reducir la pérdida de calor durante las horas de oscuridad en invierno. Por otra parte, los árboles de hoja caduca colocados de forma adecuada filtraran la luz del sol en verano y dejarán que pase entre las ramas en invierno. Un muro Trombe permite que el aire que es calentado por el sol a través de una ventana de cristal pueda ser utilizado para calentar la casa de manera pasiva. Figura 3.2: un muro Trombe Otras fuentes renovables son, por ejemplo, los captadores solares térmicos y las placas fotovoltaicas que se optimizan si se colocan sobre el tejado de una construcción convencional y con orientación apropiada. Ello resulta ser muy fácil para los edificios de nueva construcción y más difícil para los ya existentes. Una chimenea es un requisito para una caldera de biomasa y puede haber sido usada previamente para una caldera de combustible fósil. Si el jardín es bastante grande, puede ser que sea posible enterrar horizontalmente la tubería colectora de calor de una bomba de calor geotérmica. La alternativa es hacer una perforación e insertar la tubería colectora en el agujero vertical. Una bomba de calor que utilice el aire como una fuente es otra alternativa. La turbina de viento normalmente se monta en un palo y ha de ser más alta que la parte superior del tejado.

Ventana de cristal

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El dibujo de la casa muestra la posibilidad de instalar muchas tecnologías renovables en un mismo edificio. Todo depende de la medida de la casa, de su orientación, de la medida del jardín y de la presencia de viviendas contiguas. Para las personas que viven en el campo o en pueblos pequeños, habría de ser fácil instalar una o más de estas fuentes. Para los habitantes de las ciudades o pueblos grandes habrá menos oportunidades de aplicar estas tecnologías en casas unifamiliares. De todas formas, para pequeños grupos de casas, un pequeño plan común para generar calor o electricidad puede ser más factible y será más barato que instalar sistemas individuales en cada casa. Las tecnologías combinadas no son habituales pero no hay otra razón, excepto su coste económico, por la que no puedan ser consideradas. Las placas solares son más comunes en el sur de Europa y la biomasa en el centro y en el norte. Las bombas de calor se instalan en toda Europa con sistemas reversibles en los países del sur para enfriar durante el verano y solamente para calentar en el norte de Europa. Las turbinas de viento y las placas fotovoltaicas son complementarias porque el sol es mucho más presente en verano y el viento en invierno. Por tanto, si es posible instalar ambos sistemas será para maximizar la cantidad de electricidad renovable generada. Hay algunas sinergias entre les dos técnicas que implicaran un ahorro en componentes eléctricos.

Árbol de hoja caduca

captador solar térmico

placa fotovoltaica

porticón

turbina de viento

bomba de calor geotérmica

persiana o tendal

caldera de biomasa

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Actividad 3.5: Potencial de la energía renovable en tu escuela

Actividad 3.5: Potencial de la energía renovable en tu escuela

Como las fuetes de energía renovable son tan variadas, solamente observando con detenimiento podremos determinar cuales son las fuentes adecuadas para la casa o la escuela. El potencial

también dependerá del tipo de edificio y de su orientación. Esta actividad ayudará a identificar que fuente de energía renovable será adecuada. Tarea:

- considera el tipo de edificio y la orientación - ¿sería posible montar una placa solar o una placa fotovoltaica en alguno de los tejados? ¿la orientación es favorable? - mira el espacio alrededor de los edificios; ¿hay suficiente espacio para instalar horizontalmente un colector para una bomba de calor geotérmica?

- ¿hay un área no protegida por árboles o otros edificios donde se pueda instalar una turbina de viento? - ¿puedes identificar alguna otra fuente de energía renovable que pueda ser adecuada? Apuntes para el profesor: La escuela proporciona una buena oportunidad para ilustrar como se puede determinar el potencial de las fuentes de energía renovable. Esta actividad puede venir seguida de otra en la que se toman medidas reales. (como en la actividad 3.2). Objetivos de la actividad: determinar que fuentes de energía renovable pueden ser adecuadas Material: planos de los edificios de la escuela y de los alrededores Palabras clave: fuentes de energía renovable, escuelas Habilidades: observación, debatir en pequeños grupos, deducción Asignaturas del currículum educativo: geografía, naturales, civismo Rango de edad: 9-13, 2º y 3º ciclo

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3.5 Fuentes de energía locales

La migración del mundo rural al urbano ha coincidido con la industrialización de muchos procesos que antes se producían a escala local para el consumo local. Este cambio iba acompañado del crecimiento de fuentes de energía mayores y centralizadas, como la generación de electricidad o los programas de sistemas centralizados de calefacción. Esto requirió de una red de suministro eléctrico o red centralizada de calefacción para suministrar electricidad o calefacción desde una fuente central hacia fuera. Con la creciente producción local de electricidad y calor para alcanzar las necesidades, la red ha adquirido nuevas funciones. Si no se genera bastante electricidad localmente, la electricidad se puede obtener de la red de suministro y a la inversa, la electricidad se puede exportar a la red si localmente se genera demasiada. La producción local supera el problema de las pérdidas de energía que tienen lugar en la transmisión y distribución tanto de electricidad como de calor. Debido a la mayor eficiencia y a la necesidad de reducir la dependencia de los combustibles fósiles, la tendencia respecto a la energía producida localmente tiende a incrementar. Actividad 3.6: producción de energía: centralizada versus local Actividad 3.6: producción de emergía: centralizada versus local

Las fuentes de emergía renovable son abundantes y se encuentran en todas partes; el calor y la electricidad se pueden generar localmente – incluso en tu casa si es adecuada. La ventaja de la producción en el lugar de uso es que no hay pérdidas de transmisión o distribución. Tareas: - examina los dos dibujos esquemáticos de la producción centralizada y local. - identifica los productores y consumidores y donde se localizada la producción y el

consumo - localiza donde se genera la electricidad que se usa en tu escuela y como esta se transmite - descubre que combustible se usa para calentar tu escuela y de donde viene - debate que pasos serían necesarios para usar fuentes locales de energía renovable Apuntes para el profesor:

Esta es una discusión de mucha actualidad porque hay pérdidas significantes asociadas con la transmisión y distribución de calor y electricidad, posiblemente de hasta un 25%. El reto para los alumnos es entender, no solamente el impacto medioambiental de transmitir y usar combustibles fósiles, sino también las posibles ventajas de usar fuentes de energía renovables en la escuela. También será necesario comprobar con los suministradores de donde vienen la electricidad y los combustibles para la calefacción y como se transportan. El objetivo de la actividad es: comparar las fuentes de electricidad y calefacción locales y centralizadas y identificar su impacto medioambiental. Material: Hojas de ejercicios – información sobre los orígenes del suministro de electricidad y combustible para calefacción Palabras clave: generación, transmisión, distribución, impacto medioambiental. Habilidades: lógica, análisis Asignaturas del currículum educativo: geografía, biología Rango de edad: 11-15, 3º y 4º ciclo

3.6 Conclusiones

Existen tantas ventajas con el uso de fuentes de energía renovable que no se entiende porque no son utilizadas de forma más extensa. El uso sostenible de la energía invita a la utilización de fuentes de energía renovable allá donde sea posible para así los recursos de combustibles fósiles yi limitar la contaminación medioambiental.

Kyoto in the Home – Guía del profesor – Capítulo 3 16/19

En los siguientes capítulos cada tecnología es explicada con más detalle. Ello va precedido de dos capítulos sobre la reducción de las pérdidas de calor en los edificios y de la aplicación de técnicas solares pasivas para así reducir el sobrecalentamiento en verano y maximizar el beneficio solar durante los meses de invierno.

Kyoto in the Home – Guía del profesor – Capítulo 3 17/19

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA CENTRALITZADA ¿Dónde es/son el/los productor/es? ¿Dónde es/son el/los consumidor/es? ¿Hay algún grupo que contenga productores y consumidores?

Kyoto in the Home – Guía del profesor – Capítulo 3 18/19

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA DESCENTRALIZADA ¿Dónde es/son el/los productor/es? ¿Dónde es/son el/los consumidor/es? ¿Hay algún grupo que contenga productores y

consumo?

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