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POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García ÍNDICE OBJETO DEL PROYECTO ........................................................................... 1 1. CICLO INTEGRAL DEL AGUA ................................................................ 3 1.1 INTRODUCCIÓN AL CICLO INTEGRAL DEL AGUA .......................... 4 1.2 DESCRIPCIÓN DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA ........................... 6 1.2.1 CAPTACIÓN .................................................................................. 6 1.2.1.1 CAPTACIÓN SUMERGIDA ..................................................... 7 1.2.1.2 CAPTACIÓN LATERAL ........................................................... 7 1.2.1.3 CAPTACIÓN EN LAGOS, LAGUNAS Y EMBALSES .............. 7 1.2.1.4 CAPTACIÓN FLOTANTE CON ELEVACIÓN MECÁNICA ...... 8 1.2.1.5 CAPTACIÓN MÓVIL CON ELEVACIÓN MECÁNICA .............. 8 1.2.1.6 CAPTACIÓN DE MANANTIALES ............................................ 8 1.2.1.7 CAPTACIÓN DE ALTA MONTAÑA ......................................... 8 1.2.1.8 CAPTACIÓN DIRECTA DE AGUA DE LLUVIAS ..................... 9 1.2.1.9 CAPTACIÓN DE AGUA DE MAR ............................................ 9 1.2.2 DESALACIÓN ................................................................................ 9 1.2.2.1 OSMOSIS INVERSA (OI) ...................................................... 10 1.2.2.2 DESTILACIÓN SÚBITA POR EFECTO FLASH (MSF) ......... 11 1.2.2.3 DESTILACIÓN MULTIEFECTO (MED) ................................. 12 1.2.2.4 ELECTRODIÁLISIS (ED) ....................................................... 13 1.2.3 POTABILIZACIÓN ........................................................................ 14 1.2.4 RED DE ABASTECIMIENTO ....................................................... 15 1.2.4.1 ABASTECIMIENTO POR GRAVEDAD ................................. 15 1.2.4.2 ABASTECIMIENTO POR BOMBEO ...................................... 16 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 1.2.4.3 DEPÓSITOS DE COLA ......................................................... 17 1.2.5 RED DE DISTRIBUCIÓN ............................................................. 17 1.2.5.1 RED RAMIFICADA ................................................................ 18 1.2.5.2 RED MALLADA...................................................................... 18 1.2.5.3 RED MIXTA ........................................................................... 19 1.2.6 RED DE SANEAMIENTO ............................................................. 19 1.2.7 DEPURACIÓN ............................................................................. 19 1.2.8 REUTILIZACIÓN .......................................................................... 20 1.2.9 VERTIDO ..................................................................................... 21 1.3 CONSUMOS ENERGÉTICOS ........................................................... 21 1.4 CICLO INTEGRAL DEL AGUA EN ZARAGOZA ................................ 28 1.4.1 INTRODUCCIÓN ......................................................................... 28 1.4.2 CAPTACIÓN ................................................................................ 29 1.4.3 POTABILIZACIÓN ........................................................................ 29 1.4.4 ALMACENAMIENTO .................................................................... 30 1.4.5 DISTRIBUCIÓN Y TRANSPORTE ............................................... 30 1.4.6 RED DE SANEAMIENTO ............................................................. 31 1.4.7 DEPURACIÓN ............................................................................. 31 1.4.8 PLAN FUTURO DE MEJORA DE ZARAGOZA ............................ 32 1.5 DESCRIPCIÓN DE LAS PLANTAS Y DATOS TÉCNICOS ............... 33 1.5.1 PLANTA POTABILIZADORA DE CASABLANCA ........................ 33 1.5.1.1 DATOS TÉCNICOS DE LA ETAP ......................................... 35 1.5.2 PLANTA DEPURADORA DE LA CARTUJA ................................ 37 1.5.2.1 DATOS TÉCNICOS DE LA EDAR ......................................... 41 1.5.3 PLANTA DEPURADORA DE LA ALMOZARA ............................. 42 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 1.5.3.1 DATOS TÉCNICOS DE LA EDAR ......................................... 45 2. INTEGRACIÓN DE EE.RR. EN EL CICLO INTEGRAL DEL AGUA ...... 49 2.1 INTEGRACIÓN DE EE.RR. EN EL CICLO INTEGRAL DEL AGUA .. 50 2.2 INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR ......................................... 51 2.3 DESCRIPCIÓN DE LOS TIPOS DE ENERGÍA SOLAR ..................... 51 2.3.1 E. S. FOTOVOLTAICA ................................................................. 53 2.3.2 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ....................................................... 57 2.3.2.1 E. S. T. BAJA TEMPERATURA ............................................. 58 2.3.2.2 E. S. T. MEDIA TEMPERATURA........................................... 61 2.3.2.3 E. S. T. ALTA TEMPERATURA ............................................ 64 2.4 TECNOLOGÍAS DE ENERGÍA SOLAR ADECUADAS PARA EL CICLO INTEGRAL DEL AGUA .............................................................................. 67 2.4.1 TECNOLOGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA .................................... 68 2.4.2 TECNOLOGÍA TERMOSOLAR DE CONCENTRACIÓN ............ 72 2.5 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EN EL CICLO DEL AGUA DE ZARAGOZA. CÁLCULOS. ..................................................................................... 74 2.5.1 RESUMEN DEL PROCEDIMIENTO ............................................ 74 2.5.2 PROCESO DE RESOLUCIÓN ..................................................... 75 2.5.3 RESULTADOS PARA E. S. FOTOVOLTAICA ............................. 82 2.5.3.1 RESULTADOS ETAP CASABLANCA ................................... 82 2.5.3.2 RESULTADOS EDAR LA CARTUJA ..................................... 86 2.5.3.3 RESULTADOS EDAR LA ALMOZARA .................................. 90 2.6 ENERGÍA SOLAR CON CILINDRO-PARABÓLICOS PARA EL CICLO DEL AGUA DE ZARAGOZA. CÁLCULOS. ............................................................ 94 2.6.1 RESUMEN DEL PROCEDIMIENTO ............................................ 94 2.6.2 MÉTODO DE RESOLUCIÓN ....................................................... 96 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 2.6.3 RESULTADOS DE LAS PLANTAS ............................................ 101 2.7 RESULTADOS Y CONCLUSIONES ................................................ 102 3. VIABILIDAD ECONÓMICA .................................................................. 108 3.1 ANÁLISIS DE VIABILIDAD ECONÓMICA ........................................ 109 3.1.1 FLUJOS DE CAJA (CASH FLOW) ............................................. 111 3.1.2 TASA DE RETORNO (PAY BACK) ............................................ 113 3.1.3 VALOR ACTUAL NETO (VAN) .................................................. 113 3.1.4 TASA INTERNA RENTABILIDAD (TIR) ..................................... 114 3.1.5 VARIABLES DEL ANÁLISIS ECONÓMICO ............................... 115 3.1.6 RESULTADOS Y CONCLUSIONES .......................................... 118 4. CONCLUSIONES FINALES ................................................................ 123 5. ANEXOS .............................................................................................. 126 5.1 ANEXO A: CÁLCULOS EES ............................................................ 127 5.1.1 CÁLCULOS FV ETAP CASABLANCA ....................................... 127 5.1.2 CÁLCULOS FV EDAR LA CARTUJA ......................................... 135 5.1.3 CÁLCULOS FV EDAR LA ALMOZARA ...................................... 140 5.1.4 CÁLCULOS CCP ....................................................................... 145 5.2 ANEXO B: CÁLCULOS ANÁLISIS ECONÓMICOS ......................... 147 5.2.1 ANÁLISIS ECONÓMICOS CASABLANCA ................................ 147 5.2.2 ANÁLISIS ECONÓMICOS LA CARTUJA ................................... 155 5.2.3 ANÁLISIS ECONÓMICOS LA ALMOZARA ............................... 163 6. LISTA DE FIGURAS ............................................................................ 172 7. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................... 178 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 1 OBJETO DEL PROYECTO Dentro de un contexto en el que las necesidades energéticas para proporcionar agua en cantidad y calidad suficiente van en aumento, se ha considerado interesante realizar unos cálculos básicos para estimar la forma del abastecimiento energético del ciclo del agua con fuentes renovables. Siempre ha existido un interés de la conexión agua-energía, tradicionalmente con la obtención de energía hidroeléctrica a partir de la energía potencial del agua. Y ahora, las energías renovables están llamadas a jugar un papel importante en el abastecimiento de energía en el nuevo contexto socioeconómico actual. En particular, las tecnologías solares ofrecen importantes posibilidades. De este modo, el objeto de este proyecto fin de carrera es analizar las posibilidades de integración de la energía solar como fuente de energía primaria en las instalaciones básicas de depuración y saneamiento del ciclo del agua en Zaragoza. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 2 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 9 1.2.1.8 CAPTACIÓN DIRECTA DE AGUA DE LLUVIAS Se suele aplicar para pequeños consumos, en dónde la superficie de captación suelen ser tejados de casas y otras como superficies de terrazas o de patios. El agua después va a parar a un estanque subterráneo o tapado, en el cual se almacena, para después mediante un tratamiento, ser llevada a consumo (Gob. Chile, 2008). 1.2.1.9 CAPTACIÓN DE AGUA DE MAR La captación de agua de mar, se suele realizar mediante pozos si la permeabilidad del terreno lo permite, o se recurre directamente a captación mediante tuberías situadas en el lecho marino (Gob. Chile, 2008). Es una captación alternativa a las anteriormente comentadas. En el siguiente apartado se hablará de forma más concreta sobre los principales procesos que existen de desalación. 1.2.2 DESALACIÓN Es un proceso que consiste en separar de una disolución acuosa, dependiendo de la tecnología que se utilice, las sales o el agua, con el fin de obtener agua dulce del proceso para uso humano. Los principales métodos de implantación a nivel mundial, se describen a continuación (Uche, J. y Valero, A., 2006). POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 10 1.2.2.1 OSMOSIS INVERSA (OI) Con esta tecnología se separan el agua de la sal, usando un proceso de filtración mediante energía mecánica. El proceso consiste en comprimir el agua mediante bombeo hacia una membrana semipermeable manteniendo la presión a un valor determinado, según cual sea este valor provocará diferentes niveles de permeado. De este modo una parte del agua atraviesa la membrana con una cantidad muy pequeña de sales obteniendo un agua dulce con una pureza admisible. Y la parte desechada al estar a una presión elevada, se suele recuperar con una turbina el contenido energético que alberga. Es un proceso muy recomendable para aguas salobres debido a que la sal a rechazar es menos que en el agua de mar (Uche, J. y Valero, A., 2006). [Figura 3] Esquema de desalación por OI. (Martínez A., 2009) POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 11 1.2.2.2 DESTILACIÓN SÚBITA POR EFECTO FLASH (MSF) Con esta tecnología se separa el agua de la sal, usando un proceso de evaporación mediante energía térmica. El proceso empieza en el bombeo del agua a lo largo del interior de los tubos de las etapas siendo usados como condensador de un intercambiador térmico sin intercambio de flujo, en dónde se va precalentando a diferente presión en cada etapa que recorre sucesivamente. El agua llega a una zona de intercambio de calor con vapor proveniente de otro proceso ajeno (normalmente de una planta de potencia). Luego el agua evaporada pasa a la parte inferior o evaporador de la cámara flash en dónde se produce una evaporación parcial del agua salada al condensar con los tubos de agua de entrada anteriormente comentados, de esta forma el agua no evaporada pasa a la siguiente etapa más concentrada y así sucesivamente hasta que al final el agua de salmuera que no ha evaporado es tirada de nuevo al mar. Aunque esta agua de salmuera puede ser usada para una recirculación, previo paso por un gasificador que elimina el vapor que quedaba, reduciendo el aporte energético del agua bruta a desalar y el consumo de aditivos químicos, al mezclarla con el agua de entrada a la planta aumentándole la temperatura al agua (Uche, J. y Valero, A., 2006). [Figura 4] Esquema de una planta de desalación de MSF. (http://www.sidem-desalination.com) POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 12 1.2.2.3 DESTILACIÓN MULTIEFECTO (MED) Con esta tecnología se separa el agua de la sal, usando un proceso de evaporación mediante energía térmica. La destilación se produce de forma natural, para ello en cada etapa, conectadas en serie a diferentes presiones de operación, provocan un punto de ebullición más bajo. Cada efecto o etapa constituye un evaporador-condensador de tubos, en el cual el agua salada aprovecha el calor latente desprendido por la condensación del vapor en la otra parte de los tubos del intercambiador. La primera etapa se nutre de vapor externo de un sistema recuperativo, cómo puede ser una turbina de contrapresión o extracción de una de una de condensación. También existen cámaras flash para evaporar una porción del agua salada que pasa al siguiente efecto o etapa. Finalmente hay un condensador que recoge el agua dulce en la última etapa precalentando el agua de aportación al sistema. Por lo tanto las plantas MED también conforman sistemas de cogeneración que al igual que las MSF consumen parte de energía que iba a ser destinada en producir electricidad (Uche, J. y Valero, A., 2006). [Figura 5] Esquema de una planta de desalación de MED. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 13 (http://www.sidem-desalination.com) 1.2.2.4 ELECTRODIÁLISIS (ED) Con esta tecnología se separa la sal del agua, usando un proceso de filtración selectiva mediante energía eléctrica. Es apropiado para desalar aguas salobres o para la reutilización de aguas residuales debido a que necesita que la sustancia a tratar esté ionizada, ya que se basa en el efecto de la electrólisis, con la integración de membranas en una posición entre los electrodos. El agua de entrada se somete a una tensión eléctrica de modo que los cationes diluidos son atraídos hacia el polo negativo y los iones hacia el positivo (Uche, J. y Valero, A., 2006). [Figura 6] Esquema de una planta de desalación de MSF. (Martínez A., 2009) POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 14 1.2.3 POTABILIZACIÓN El agua captada debe ser apta para el consumo humano, y debido a la absorción rápida de sustancias naturales procedentes de actividades relacionadas con el ser humano, debe ser tratada. Los principales contaminantes del agua son tres, los minerales (metales y compuestos químicos), los orgánicos (detergentes, gasolina, etc.), y los biológicos o microbiológicos (virus, bacterias y parásitos). Primero se realiza un cribado o desbaste, para eliminar los sólidos flotantes, tales como hierbas acuáticas, basuras, maderas… a la entrada de la planta, en dónde en general, mediante un sistema de compuertas y una válvula reguladora, se regula el caudal de agua. Luego se añaden coagulantes y floculantes al inicio del tratamiento que facilitan la sedimentación de los materiales disueltos en agua mediante uno o varios mezclador/es en los tanques por los que circula el agua, para posteriormente ir creando flóculos que a través de los decantadores van formando en el fondo un manto de lodos, siendo estos últimos eliminados y tratados correctamente. El agua decantada pasa a los filtros, atravesando un lecho de arena de grava y antracita, donde quedan retenidas las partículas que no fueron eliminadas en el proceso de decantación. Cada cierto tiempo este filtro de arena es lavado, ya que va perdiendo caudal de agua filtrada al acumularse nuevas sustancias, y este lodo resultante es enviado junto con el de la purga de los decantadores a la línea de tratamiento de lodos. El agua filtrada se regula sometiéndola a una cloración mediante un tiempo en los tanques de almacenamiento, para así asegurar la eliminación de sustancias patógenas que pueden afectar al ser humano, y que de esta manera, se mantendrá en perfecto estado a lo largo de la red de conducción hasta los puntos de consumo. En la línea de tratamiento de lodos, el manto de lodos se somete a depósitos de recuperación, purga, espesadores, filtros, y dispensadores de reactivos así como también se usa cal y polielectrolito, y es recirculada y mezclada a la cabecera de la POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 15 instalación junto con el agua cruda. Los fangos deshidratados finales son llevados a vertederos autorizados (C. A. Asturias, 2001) (Delgadillo, A. y Ramírez, O., 2005). 1.2.4 RED DE ABASTECIMIENTO El abastecimiento de agua a una ciudad es diferente de unas a otras dependiendo de la ubicación, cartografía o la superficie a abastecer. Pero la solución elegida debe garantizar en las acometidas de los edificios presiones entre 20 y 40 metros de columna de agua. Hay dos formas de abastecimiento: abastecimiento por gravedad y abastecimiento por bombeo (Fernández Francos, J., 2007). 1.2.4.1 ABASTECIMIENTO POR GRAVEDAD El abastecimiento por gravedad es la solución ideal, debido a que no exige consumo eléctrico, pero sólo es factible cuando la captación del agua está a un nivel superior suficiente respecto de la ciudad. Pueden darse diferentes situaciones. El depósito de agua está próximo a la ciudad, entonces, la regulación de las presiones y del consumo de la red se haría desde el mismo, por lo que suele llamarse también depósito de regulación o principal si existen otros depósitos para otro cometidos. El depósito de agua está lejos de la ciudad, en el cual conviene instalar otro próximo a ella a un nivel estudiado, inferior al depósito principal, pudiendo estar en serie con el anterior, con el que se alimenta con un caudal casi constante, llenándose en horas de bajo consumo liberando a la red de la sobrepresión al desnivel entre depósitos, y vaciándose en horas punta liberando de las bajas presiones que se originarían si la conducción que une ambos depósitos tuviera que circular el caudal punta. Este segundo depósito, llamado de regulación, ajusta bien POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 16 las presiones en la red, por lo que la otra solución es conectar el segundo depósito en paralelo, conectándolo directamente a la conducción que une el depósito principal con la red, haciendo así la regulación el depósito principal, y el segundo depósito, de compensación, compensa la falta de presión y caudal en las horas punta, y por ello no tiene que ser tan grande. Así la influencia de ambos depósitos hace que las presiones en la red a lo largo del día se mantengan en límites aceptables. Cuando el caudal demandado es bajo el de compensación recibe agua del principal, en cambio, si es alto ambos depósitos satisfacen la demanda (Fernández Francos, J., 2007). 1.2.4.2 ABASTECIMIENTO POR BOMBEO Las soluciones pueden ser muy variadas dependiendo de las circunstancias, pero se deberá elegir la más adecuada. Aunque cualquiera que sea incluirá en general la instalación de un depósito próximo a la ciudad, y con la elevación suficiente para poder cubrir las necesidades de presiones en la red. Si se resolviera el problema sin depósito, el bombeo sería directo a la red y las bombas tendrían que cubrir el caudal punta, por lo que se necesita una estación de bombeo y un diámetro de tubería mayores, aumentando el coste de la instalación. Además tendrían que suministrar un caudal variable, que complicaría su instalación para conseguir un rendimiento adecuado de las bombas. Tendrían que funcionar en las horas punta cuando la energía eléctrica es más cara y la red demanda mayores caudales, y difícilmente serían capaces de regular las presiones adecuadas en la red. Si se instala un depósito próximo a la ciudad, las bombas tienen que cubrir sólo el caudal medio, siendo constante si es un depósito de regulación o por lo menos más regular si fuese de compensación, aumentando las condiciones de rendimiento. También podemos aprovechar las horas llano y valle, cuando la energía es más barata y no utilizar las horas punta que es más cara, quedando la presión en la red mejor regulada a la largo del día. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 17 El depósito de compensación o en paralelo, que tiene ventajas respecto al de regulación, tiene menos volumen, pues parte del caudal suministrado por las bombas va directo a la red sin pasar por el mismo. Tampoco tiene que subir al depósito para después bajar, ahorrando energía. Además en las horas valle las bombas alimentan a la vez la red y el depósito, y en cambio, en las horas punta el depósito apoya a las bombas. Por esto, la opción del depósito de compensación exige un mayor cuidado en la selección de los grupos de bombeo, a causa de la variación del caudal suministrado a lo largo del día (Fernández Francos, J., 2007). 1.2.4.3 DEPÓSITOS DE COLA Debido a que las ciudades se van expandiendo y hay que dar abastecimiento a puntos más alejados, pudiendo ser a veces los más bajos de la red, lo que podría originar presiones muy elevadas en horas valle y presiones muy bajas en las horas punta, que podrían cortar el suministro. La solución es la instalación de uno o varios depósitos de cola, en puntos de la red, a niveles de altura algo inferiores al depósito principal. Así en esos puntos la presión no sube tanto en horas valle ya que el depósito de cola se está llenando, ni baja tanto en horas punta debido a que el suministro es combinado por los depósitos, principal y de cola. El depósito de cola se puede unir al principal mediante una o dos tuberías, de diámetros importantes, que atraviesan o rodean la ciudad y la cual, queda conectada a la red en los puntos convenientes (Fernández Francos, J., 2007). 1.2.5 RED DE DISTRIBUCIÓN Las redes de distribución pueden tener infinidad de soluciones, y ante ello prevalecerá la economía para adoptar unas u otras. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 18 Hay diferentes tipos de tuberías como la principales o arterias (alimentan a los demás conductos y no tienen tomas de servicio, además son de gran diámetro), la secundarias (son de menor diámetro y transportan el agua desde las principales hasta las de distribución), las de distribución (dan servicio a los edificios o puntos de consumo en general), y las de ramal o acometida (contienen tuberías y válvulas que conectan la red con las instalaciones interiores de los edificios). En cuanto a la clasificación de las redes, pueden ser ramificadas, malladas o mixtas (Fernández Francos, J., 2007). 1.2.5.1 RED RAMIFICADA Son como los árboles, hay un depósito troncal que une con una tubería principal de dónde parten las secundarias, y estas a las terciarias… disminuyendo el diámetro circulando el agua en un solo sentido. Son fáciles de calcular y la instalación es más barata. Pero una rotura puede suponer el corte completo de la red, y en los extremos de la red el agua queda estancada pudiendo contaminarse si no se hacen descargas periódicas. Este sistema será útil en poblaciones pequeñas (Fernández Francos, J., 2007). 1.2.5.2 RED MALLADA Las tuberías principales se conectan entre sí formando una trama, así pues cada punto de la red se alimenta por izquierda y derecha, siendo mejor el reparto de presiones. Además no se estanca el agua en ningún punto y en caso de avería los puntos de consumo afectados quedarían alimentados por el otro extremo de la línea (Fernández Francos, J., 2007). POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 25 2007). Y por último el dato de bombeo del agua tratada al medio natural es de 0.05 kWh/m3 (Murgui M., Cabrera E., Pardo M. A., Cabrera E., 2009). En las siguientes tablas se clasifican para las fases y consumos energéticos del ciclo integral del agua, los rangos elegidos de cada bibliografía y los valores o rangos aproximados del ratio energético según sus autores. [Figura 7] Tabla de consumos energéticos del C.I.A para potabilización. (Elaboración propia) Ratio kWh/m³Fuente 0.03 - 4.23 Klein G., 2005 0.0002 - 0.37 Sala L., 2007 0.15 - 1.74 Sala L., 2007 0.37 - 0.75 Sala L., 2007 0.6 - 1.32 Sala L., 2007 0.15 - 0.31 Murgui M., 2009 0.3 Garrido, A. 2007 0.1 Flores Bados, J. 2008 0.185 García Oca, L. 2008 0.47 Hoffman H.W., 2005 Potabilización Potabilización + desalación media general Captación/extración + potabilización + distribución (A.Superficial < 10 km) Potabilización agua superficiales Potabilización aguas superficiales Potabilización Potabilización + desalación media general Captación/extración + potabilización + distribución (A.Superficial > 10 km) Captación/extración + potabilización + distribución (Acuíferos cercanos) Captación/extración + potabilización + distribución (Acuíferos lejanos) Captación + bombeo + potabilización + distribución POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 26 [Figura 8] Tabla de consumos energéticos del C.I.A. para depuración. (Elaboración propia) [Figura 9] Tabla de consumos energéticos del C.I.A. para desalación. (Elaboración propia) Ratio kWh/m³Fuente 0.29 - 1.22 Klein G., 2005 0.43 - 1.09 Sala L., 2007 0.49 - 1.01 Sala L., 2007 0.5 Sala L., 2007 0.1 - 0.54 Murgui M., 2009 0.5 Garrido, A. 2007 0.5 Flores Bados, J. 2008 0.67 González J., 2010 0.495 García Oca, L. 2008 1.07 Simón Andreu P.J., 2010 0.52 García Oca, L. 2008 0.11 - 0.32 Klein G., 2005 0.18 Sala L., 2007 0.5 - 1.21 Sala L., 2007 0.2 - 0.63 Sala L., 2007 0.75 Flores Bados, J. 2008 0.25 Flores Bados, J. 2008 0.16 - 0.32 Rogalla F., 2009 0.308 - 0.389 Simón Andreu P.J., 2010 0.8 - 1.2 González J., 2010 T. Terciarios camas filtrantes de oxidación T. Terciarios de reactores biológicos membrana T. Terciarios de reactores biológicos T. Terciarios compostaje de lodos (equivalencia a consumo eléctrico) Recoleción + transporte + depuración + lagunaje convencional Depuración aguas residuales Dep. T.Terciarios (filtración directa filtros cerrados + desinfección Cl y UV) Dep. T.Terc. (coagulación+floculación+decantación+filtrado+desinf. Cl y UV) T. Terciarios secado térmico lodos (equivalencia a consumo eléctrico) Depuración + T.Terciarios T.Terciarios + transporte aguas Dep. T.Terciarios (filtración directa lecho pulsado + desinfección Cl y UV) Depuración aguas residuales España (media) Pretrat.0.21+T.Bio.0.63+ T.Terc.0.13+L.Fang.0.06+Desod.0.04+Otros0.01 Depuración Depuración aguas residuales urbanas Recoleción + transporte + depuración + aireación prolongada Depuración (T.Primario ~ 0.1 y T.Terciario ~ 0.2) Depuración Depuración + drenaje Recoleción + transporte + depuración + Fangos activos convencionales Ratio kWh/m³Fuente 4 Martinez A., 2009 3.5 - 5 González J., 2010 1.5 González J., 2010 0.75 Martinez A., 2009 3.5 Sala L., 2007 3 - 6 Barros Merino 1.5 Martinez A., 2009 1.5 - 2.5 Barros Merino E., 2007 1 Martinez A., 2009 1López Cózar, J.M. 2006 Electrodiálisis (ED) ED OI (aguas contaminadas) Destilación Efecto Flash (MSF) demanda térmica de 250 MJ/m³ MSF (vapor a 125 ºC) Destilación Multiefecto (MED) demanda térmica de 200 MJ/m³ MED (vapor a 70 ºC) Desalación Osmosis Inversa (OI) para aguas saladas OI (aguas saladas) OI (aguas salobres) POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 27 [Figura 10] Tabla de consumos energéticos del C.I.A. para procesos de transporte de aguas. (Elaboración propia) Los datos de consumo de este apartado se han comparado con los ratios obtenidos de las plantas elegidas para el estudio del ciclo integral del agua en la ciudad de Zaragoza. Estos datos para los casos con ausencia de valores reales se podrán usar aproximación. Ratio kWh/m³Fuente 0 - 3.7 Klein G., 2005 0.183 García Oca, L. 2008 0.35 Pardo Picazo M.A., 2010 0.6 González J., 2010 0.709 García Oca, L. 2008 0.526 Barros Merino 0.164 Murgui M., 2009 0.286 García Oca, L. 2008 0.18 Pardo Picazo M.A., 2010 0.18 - 0.32 Klein G., 2005 0.8 Garrido, A. 2007 0.24 García Oca, L. 2008 1.3 Garrido, A. 2007 0 - 0.23 Murgui M., 2009 0.8 Garrido, A. 2007 0.24 García Oca, L. 2008 1.3 Garrido, A. 2007 0.05 Murgui M., 2009 Bombeo agua al medio natural Distribución + bombeo aguas residuales Transporte aguas residuales Distribución agua Distribución agua Impulsión + bombeo aguas residuales Re-bombeo agua tras potabilización Bombeo Distribución agua Distribución agua Distribución agua Captación + bombeo + transporte aguas subterráneas por cada 100m altura Captación + pre y post-tratamiento agua salada Captación (0.183) + Bombeo (0.286) + distribución (0.24) Captación (0.183) + Bombeo (0.286) + distribución (0.24) Re-bombeo agua tras potabilización Procesos de transporte de aguas Captación + bombeo + transporte hasta potab. Captación agua acuíferos POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 28 1.4 CICLO INTEGRAL DEL AGUA EN ZARAGOZA El objetivo de este apartado es explicar el ciclo integral del agua para un caso concreto, Zaragoza. Para luego ver las posibilidades de las energías renovables en él. Se ha elegido un lugar específico en vez de explicar de forma genérica el ciclo, porque cada lugar tiene unos factores y unas condiciones climatológicas diferentes, que van a determinar la importancia de elegir entre unas tecnologías u otras. 1.4.1 INTRODUCCIÓN El agua del que se abastece la ciudad de Zaragoza, proviene de los Pirineos concretamente del embalse de Yesa. Este agua se lleva hasta el Canal de Bárdenas en Navarra, el cual la conduce hasta llegar al embalse de la Loteta (inmediaciones de Gallur). El embalse de la Loteta sirve para almacenar el agua que proviene del embalse de Yesa conjunta con el agua excedente del sistema de Bárdenas (Navarra), o también, mediante bombeo almacenar agua desde el Canal Imperial de Aragón. Junto al embalse de la Loteta se ha construido en Fuempudia unos depósitos intermedios de regulación de 200.000 m3. La tubería que une Loteta con Zaragoza, parte de los depósitos de Fuempudia trazando por el margen derecho del río Ebro un recorrido de 43,8 km, y entre 1,6 y 1,8 m de diámetro, pudiendo transportar hasta 4,2 m3/s, para llegar finalmente a los depósitos de Casablanca de 176.000 m3 (Aristu I., 2009). POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 29 1.4.2 CAPTACIÓN El proceso de captación del agua en la ciudad de Zaragoza, se toma cuando es posible del embalse de la Loteta ya que hasta que no se recrezca el embalse de Yesa no será posible tener una demanda del 100% desde ahí. Cuando no es posible se capta desde el Canal Imperial de Aragón. El Ebro a pesar de ser el río más representativo de la ciudad, arrastra en sus aguas sales derivadas de la erosión natural lo que hace que sea un agua dura y también que debido a su actividad humana aguas arriba hace que su calidad disminuya por la contaminación de residuos urbanos e industriales. Sólo en situaciones de sequía, o de operación y mantenimiento del canal, se suele utilizar el agua del río Ebro, que tiene una instalación de impulsión situada aguas arriba de la ciudad, en las inmediaciones del Parque Deportivo Ebro (aguas arriba del Barrio de la Almozara) que suministra a través de una tubería de impulsión de 4 Km de longitud. En cambio, para la captación desde el Canal Imperial, se cuenta con un doble punto de captación, que garantiza un alto nivel de suministro (UGT-Aragón, 2008). 1.4.3 POTABILIZACIÓN Zaragoza cuenta con una planta potabilizadora situada en el barrio de Casablanca que cuenta con una línea de tratamiento de fangos. El proceso en sí consta de desbaste mediante rejas, oxidación de la materia orgánica mediante hipoclorito sódico, decantación previa coagulación mediante sulfato de alúmina, filtración en arena y desinfección con hipoclorito sódico. Para el proceso de cloración cada depósito tiene un sistema propio, haciendo un total de ocho, y la red de abastecimiento de la ciudad cuenta con 14 instalaciones de refuerzo de cloración en total contando las del plan de mejora (Entralgo, J.R., 2010). Estas se sitúan, en la autovía de Logroño a la altura de Monzalbarba, en la entrada del barrio de Santa Isabel junto al puente del río Gállego, y en la tubería de gran diámetro que discurre POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 30 bajo el puente de la Unión en Las Fuentes. El Plan de Mejora de la Gestión y Calidad del Abastecimiento de Agua de Zaragoza contempla la implantación de diez estaciones nuevas intermedias de cloración, cuatro de ellas en proyecto como la del barrio de la Almozara, junto al Pabellón Príncipe Felipe, en Casetas y en el Puente de Piedra (margen izquierdo). El conjunto de todas ellas permitirán en tiempo real un aporte exacto para mantener los niveles adecuados hasta los puntos más alejados de la red (UGT-Aragón, 2008). 1.4.4 ALMACENAMIENTO Los depósitos con mayor capacidad son los situados en Casablanca, con una capacidad de 180.000 m3 como se ha citado anteriormente. Hay otros depósitos intermedios de distribución como son los de Valdespartera (50.000 m3), las Canteras (17.000 m3), los Leones-Academia (22.000 m3). Y otros depósitos de menor capacidad en los barrios rurales de Garrapinillos, Alfocea, Peñaflor, Montañana y Villamayor. Todos ellos están cubiertos o en proyecto para ser cubiertos. La capacidad de almacenamiento actual garantiza un suministro entre 20 y 30 horas (UGT-Aragón, 2008). En total se cuenta con 14 depósitos de regulación, unos 250.000 m3 de capacidad, así como de 14 estaciones de bombeo (Entralgo, J.R., 2010). 1.4.5 DISTRIBUCIÓN Y TRANSPORTE La red de distribución de Zaragoza es mixta, es decir está formada por red mallada y ramificada. La red mallada se encuentra en el casco urbano y conforme se va acercando a la periferia de la ciudad se va ramificando. La ciudad tiene una red de distribución de 1.246 km de longitud aproximadamente (Entralgo, J.R., 2010), de los cuales el 61% de la red está compuesta por materiales adecuados (fundición POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 31 dúctil, polietileno, tramos rehabilitados) y los materiales más problemáticos (fibrocemento, fundición gris, PVC y hormigón armado) representan el 27,6%. Las presiones de distribución en la red son de tipo medio, entre 20 y 45 m. de columna de agua. El consumo de agua en Zaragoza en 2008 fue de 106 litros por habitante y día y para el año 2015 se espera que sea de 90 litros por habitante y día. El origen de este consumo de agua en Zaragoza, es de 63 Hm3/año en total, de los cuales 9 Hm3/año son procedentes del Ebro y 54 Hm3/año son del Canal Imperial. Teniendo una ocupación de 699.240 habitantes (según el boletín económico de ciudad de Zaragoza a fecha de 7 de julio de 2010) (UGT-Aragón, 2008) (Ayto. Zaragoza, 2009). 1.4.6 RED DE SANEAMIENTO Zaragoza cuenta con una red de distribución formada por 90 sectores con una cantidad que oscila entre los 5.000 y los 10.000 usuarios por sector. Cada sector se alimenta por un punto único, en el cual se controlan los caudales y presiones de modo preciso. Está formada por 4 tanques de tormentas que capturan y retienen el agua de lluvia realizando una predepuración y disminuyendo el riesgo de inundaciones. En toda la red existen 7 puntos de bombeo de aguas residuales, las cuales fluyes por una longitud de alcantarillado de unos 1.063 km de los cuáles 189 km han sido renovados y 3 km rehabilitados (Entralgo, J.R., 2010). 1.4.7 DEPURACIÓN En Zaragoza existen dos instalaciones municipales de depuración, la de La Cartuja y la de La Almozara que llevan prácticamente el total tratamiento de las aguas residuales que utiliza la red municipal con independencia de su origen doméstico o industrial. Sólo algunas urbanizaciones periféricas o industrias de cierta POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 32 importancia tienen su propia red de saneamiento para su depuración. El 98% de la carga contaminante de las aguas residuales es tratada adecuadamente, sólo un 2% relacionado con los barrios rurales está en proceso, pendiente de solución (Entralgo, J.R., 2010). La planta de La Cartuja es la principal, y tiene una capacidad operativa de tratamiento de vertidos para una población aproximada de un 1.000.000 de habitantes. En ambas plantas EDAR existen dos líneas de actuación, la línea de fangos y la línea de agua. La línea de fangos se encarga del tratamiento de los mismos para diferentes fines (construcción, agricultura, energía…). Los fangos pueden proceder tanto del tratamiento primario como del secundario. En La Cartuja a diferencia de en La Almozara, se realiza un tratamiento terciario final para la eliminación de fósforo mejorando así la calidad del vertido (UGT-Aragón, 2008). 1.4.8 PLAN FUTURO DE MEJORA DE ZARAGOZA En el plan de mejoras a corto plazo, está propuesta la renovación del depósito de los Leones, así como que se produzca la depuración de aguas residuales en los barrios de Juslibol, Movera y Peñaflor. Se quiere mejorar la calidad del vertido en momentos de lluvia instalando tanques de tormentas en colectores del margen del río Ebro, dar solución a las inundaciones que se producen en Av. San Juan de la Peña y Valle de Broto y renovar las redes de servicios de las calles Barcelona y Canfranc. El plan a más largo plazo tiene previsto mejorar globalmente el ciclo integral del agua haciendo más hincapié en los procesos de abastecimiento y saneamiento principalmente. El completamiento de sectorización de la red y la mejora de la red de alcantarillado. También, por último se quiere seguir mejorando la red de tuberías de agua potable, renovando aquellas tuberías que están constituidas por materiales inadecuados (Entralgo, J.R., 2010). POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 33 1.5 DESCRIPCIÓN DE LAS PLANTAS Y DATOS TÉCNICOS 1.5.1 PLANTA POTABILIZADORA DE CASABLANCA La planta potabilizadora de Casablanca en Zaragoza, tiene una capacidad teórica de 520.000 m3 lo que es igual a 1.7 millones de habitantes equivalentes, aunque diariamente se suelen potabilizar alrededor de 213.550 m3. La superficie disponible entre las cubiertas de los depósitos y el de la planta es de 104.000 m2 (Ayto. Zaragoza, 2009). El proceso de potabilización de la potabilizadora de Casablanca está constituido por diferentes fases, las cuáles se describen a continuación del esquema general de la planta. [Figura 11] Esquema de proceso de potabilización ETAP Casablanca en Zaragoza. (Ayto. Zaragoza, 2005) Desbaste: la línea de tratamiento de la potabilizadora empieza por el proceso de desbaste mediante una reja de eliminación de sólidos flotantes de unos POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 34 100 mm de paso entre barrotes para posteriormente ser sometido a dos rejas auto-limpiantes posteriores de 20 mm de paso entre barrotes. Precloración y Coagulación: tras el desbaste se produce una precloración, cómo oxidante de la materia orgánica y una coagulación añadiendo sulfato de alúmina para coagular materias en suspensión y provocando la turbiedad de origen coloidal. Floculación y Decantación: seguidamente a los procesos anteriores, se producen una floculación y una decantación mediante 11 decantadores que recirculan los fangos. Cómo ayudante para la floculación se utiliza polielectrolito sensiblemente anodizado y dosificado a la entrada de los decantadores, de este modo se obtiene una elevada concentración de fangos produciendo altos rendimientos en la separación de las impurezas, este exceso creado de fangos se va purgando de forma intermitente y automáticamente. Al final de estos procesos se han eliminado virus, bacterias, un 99% de materias en suspensión, un 90% de turbiedad coloidal y un 60% de la materia orgánica aproximadamente. Filtración sobre arena: en este proceso el agua decantada pasa a través de un lecho de arena silícea de 60 cm de altura y de 0,7 mm de granulometría, para después filtrarse mediante 34 filtros en una superficie única de 96 m2. El agua filtrada es recogida mediante unas toberas colectoras. La filtración es constante mediante reguladores de nivel en lazo de control con el actuador de las válvulas de regulación de caudal a la salida de cada filtro. Bombeo a depósitos: aquí se produce el bombeo a los depósitos, los cuales tienen una capacidad de almacenamiento de 180.000 m3 y cuya cota de altura es de 8.5 m superior a la cota a la que está el agua filtrada. Esta elevación se lleva a cabo mediante 6 grupos motobomba de 180 CV y a 1 m3/s y por 2 grupos de 100 CV a 0.5 m3/s. Desinfección final: en ella se produce la desinfección dosificando cloro gas de modo que exista siempre un contenido en cloro residual en el agua dentro del rango de 0.5 a 1.6 ppm. Esto se lleva a cabo en varios depósitos y estaciones POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 41 1.5.2.1 DATOS TÉCNICOS DE LA EDAR Se han conseguido datos de explotación de la planta para el año entero 2009, con estos datos serán con los que realizaremos los cálculos estimativos de la parte de energía solar. [Figura 16] Tabla de datos reales extraídos de la depuradora de La Cartuja. Descripción de cada columna de datos: *A: Agua residual a depurar en metros cúbicos. *CE: Consumo eléctrico depuración más bombeo en kWh. *PE TV: Producción eléctrica de la turbina vapor en kWh. *CE NETO: Consumo eléctrico total neto (CE–PE TV) en kWh. ACE PE TV CE NETO (m3) (kWh) (kWh) (kWh) Datos Año 2009 Enero 4058000 2548424 2142624 405800 Febrero 3034000 2145038 1847706 297332 Marzo 3814000 2399006 2048118 350888 Abril 4695000 2497740 2136225 361515 Mayo 4751000 2722323 2318488 403835 Junio 4966000 2736266 2353884 382382 Julio 5052000 2743236 2409804 333432 Agosto 4577000 2540235 2256461 283774 Septiembre 4733000 2636281 2290772 345509 Octubre 4542000 2716116 2261916 454200 Noviembre 3868000 2506464 2127400 379064 Diciembre 4219000 2598904 2223413 375491 Media mes 4359083 2565836 2201401 364435 Total año 52309000 30790033 26416811 4373222 EDAR LA CARTUJA POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 42 A continuación se comparan los datos de la tabla [Figura 16], con el estudio realizado de consumos energéticos para cada fase del ciclo a partir de diversas fuentes bibliográficas. Así de la tabla anterior de datos se observa que el consumo medio eléctrico anual por cada metro cúbico de agua sin tener en cuenta la producción eléctrica de la turbina, es de 0,589 kWh/m3. Este valor es muy parecido a varios de los ratios obtenidos para la depuración como los 0,5 kWh/m3 (Garrido, A. 2007) (Flores Bados, J. 2008), los 0,52 kWh/m3 para depuración con tratamientos terciarios (García Oca, L. 2008) o el rango de 0,1 a 0,54 kWh/m3 (Murgui M., 2009) para depuración con tratamiento primario más terciario. Los demás valores obtenidos de las fuentes bibliográficas son diferentes, y difieren de este valor. Las razones son que en los ratios de demanda energética, se incluyen varias etapas del ciclo para un solo valor. Y también que el uso de los tratamientos terciarios puede variar en una cantidad importante el consumo energético del proceso. Aun así un estudio en el año 2010, sobre el consumo medio energético de España para la depuración de aguas residuales, se cifra en torno al valor de 0,67 kWh/m3 (González J., 2010), un valor no excesivamente superior al obtenido en este caso. 1.5.3 PLANTA DEPURADORA DE LA ALMOZARA La estación de aguas residuales de La Almozara tiene capacidad instalada para depurar los vertidos de una población de 100.000 habitantes equivalentes. Tiene una capacidad teórica para depurar de 34.560 m3 al día, aunque el valor promedio tratado diariamente es de 32.760 m3/día (Ayto. Zaragoza, 2009). Las líneas de agua y de fangos de la planta depuradora de La Almozara, es muy similar a la de la depuradora de La Cartuja, y consta de un sistema de pretratamiento, un tratamiento primario y un tratamiento biológico mediante fangos activados, pero a diferencia de la otra planta, la estabilización de la materia orgánica contenida en los fangos extraídos del agua en los procesos de decantación primaria y secundaria se realiza por digestión anaerobia, previo espesamiento por gravedad. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 43 Con posterioridad el fango digerido es deshidratado mediante filtros de banda y empleado como abono agrícola. [Figura 17] Esquema de proceso de depuración EDAR La Almozara en Zaragoza. (Circe) A continuación se describe la producción de energía eléctrica mediante el uso del biogás: Sistema para almacenamiento del biogás: la depuradora cuenta con un gasómetro de doble esfera de plástico con capacidad para el biogás generado en 8 horas. Sistema de calorífugado del digestor: permite reducir las necesidades de calor para mantener en su interior la temperatura por encima de los 30ºC que es cómo funciona la digestión anaerobia de manera óptima de tipo mesofílico. El calor se obtiene a partir de los sistemas de refrigeración y aprovechamiento de los gases de escape del motor. Sistema de tratamiento del biogás: en condiciones normales el biogás contiene cantidades apreciables de sulfuro de hidrógeno que es capaz, en situaciones de elevada humedad, de producir una corrosión acelerada de las POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 44 partes metálicas del motor. De modo que la depuradora realiza un tratamiento mediante dosificación de cloruro férrico en la cúpula del digestor. Grupo motogenerador (alternador): se trata de un motor de combustión interna que utiliza como combustible el biogás que permite disponer de una energía mecánica en su eje que a su vez acciona un alternador dando lugar a la producción de corriente alterna en condiciones (tensión y frecuencia) que hacen que sea directamente utilizable por los motores eléctricos existentes en la instalación. Conjunto de intercambiadores: estos intercambiadores de calor aprovechan la energía térmica disponible en el aceite y agua de refrigeración y en los humos de escape. Torre de refrigeración: es la encargada de disipar el exceso de calor generado en los periodos de tiempo (principalmente en verano) en que la demanda para mantener la temperatura en el interior del digestor resulta sensiblemente más baja que la aportación del sistema de intercambiadores. Sistema de compresión del biogás: sirve para introducir el biogás en el motor a la presión requerida. Sistema de acoplamiento: el sistema de acoplamiento entre la red eléctrica y el sistema de producción de energía incluye un conjunto de mecanismos que garantizan la sincronización y el adecuado reparto de cargas entre ambos, así como el desacoplamiento de emergencia en casos de avería en la red o en el motogenerador. En definitiva, se trata de un sistema de cogeneración que permite a la materia orgánica que forma parte de los fangos, su transformación en biogás con un contenido de entre un 65% a un 70% de metano aproximadamente y con un poder calorífico de entre 5.000 y 5.500 Kcal/m3. La energía eléctrica obtenida por este procedimiento viene a suponer entre el 0.13 al 0.16 kWh/m3, lo que supone una parte importante del consumo energético POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 45 total de una instalación de este tipo que puede oscilar entre 0.20 y 0.35 kWh/m3 (Entralgo J.R., 2005). [Figura 18] Imagen aérea de la EDAR La Almozara en Zaragoza. (http://hispagua.cedex.es) 1.5.3.1 DATOS TÉCNICOS DE LA EDAR Se han contrastado los datos anteriores de los ratios con los encontrados en las fuentes bibliográficas consultadas sobre ratios de demandas energéticas quedándonos con los datos más desfavorables de los ratios de consumo energético total de la planta, es decir con el valor de 0.35 kWh/m3 para la instalación y de 0.13 kWh/m3 para la generación eléctrica mediante biogás (Entralgo J.R., 2005). De este modo se ha creado una tabla propia, con la que realizar los cálculos de energía solar junto con la producción diaria tratada, en valor promedio, de aguas residuales en la planta, que es de 32.760 m3/día (Ayto. Zaragoza, 2009). POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 46 [Figura 19] Tabla de datos estimados de la depuradora de La Almozara. Descripción de cada columna de datos: *A: Agua residual a depurar en metros cúbicos. *CE: Consumo eléctrico depuración de la planta en kWh. *PE BG: Producción eléctrica mediante biogás en kWh. *CE NETO: Consumo eléctrico total neto (CE–PE BG) en kWh. A continuación se comparan los datos estimados de la tabla [Figura 19] a través de los datos usados y mencionados anteriormente, con el estudio realizado de consumos energéticos para cada fase del ciclo a partir de diversas fuentes bibliográficas. Así tenemos que los 0,35 kWh/m3 (Entralgo J.R., 2005), es un valor algo inferior al valor que se usa en general para la depuración en torno a los 0,5 (Garrido, A. 2007) (Flores Bados, J. 2008). Los valores en depuración difieren ACE PE BG CE NETO (m3) (kWh) (kWh) (kWh) Datos estimados Enero 1015560 355446 132023 223423 Febrero 917280 321048 119246 201802 Marzo 1015560 355446 132023 223423 Abril 982800 343980 127764 216216 Mayo 1015560 355446 132023 223423 Junio 982800 343980 127764 216216 Julio 1015560 355446 132023 223423 Agosto 1015560 355446 132023 223423 Septiembre 982800 343980 127764 216216 Octubre 1015560 355446 132023 223423 Noviembre 982800 343980 127764 216216 Diciembre 1015560 355446 132023 223423 Media mes 996450 348758 129539 45338 Total año 11957400 4185090 1554462 2630628 EDAR LA ALMOZARA POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 47 mucho según el tipo de tratamiento incluido o no en el ratio energético, así como también influye el nivel de contaminación del agua residual a depurar. En este caso se ha decidido utilizar los valores relativos a la propia planta de La Almozara (Entralgo J.R., 2005), en vez de elegir valores de la bibliografía por ese motivo. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 48 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 49 2. INTEGRACIÓN DE EE.RR. EN EL CICLO INTEGRAL DEL AGUA POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 50 2.1 INTEGRACIÓN DE EE.RR. EN EL CICLO INTEGRAL DEL AGUA Las energías renovables son aquellas que se producen de manera continua y son inagotables a escala humana, además tienen la ventaja de poder complementarse entre sí, favoreciendo su integración. Son respetuosas con el medio ambiente y aunque ocasionen efectos negativos sobre el entorno, son mucho menores que los impactos ambientales de las energías convencionales como combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón), energía nuclear, etc. Las energías renovables son parte de la energía que el sol aporta a la Tierra en cada momento, siendo la energía solar la que tiene un potencial mayor de desarrollo a largo plazo. Con las energías renovables, se puede obtener las dos formas de energía más utilizadas: calor y electricidad. Como dice el primer principio de la termodinámica, la energía ni se crea ni se destruye, por ello la utilización de la energía del sol para producir electricidad y calor, no produce cambios sustanciales en el equilibrio de la tierra. La idea de conseguir un desarrollo sostenible desde una visión energética, pasa por el uso de las energías renovables, es decir aprovechar el sol que llega al planeta, que no potencia el efecto invernadero ni el cambio climático, ni emite sustancias contaminantes o provoca recalentamiento del planeta. Por lo tanto, cuando se agoten los combustibles fósiles, las energías renovables serán la base energética (Méndez Muñiz y Cuervo García 2007). POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 57 [Figura 26] Imagen alumbrado público con instalación híbrida (Energía Solar y Eólica). (http://megaenergy.com.ar) 2.3.2 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA La energía térmica captada puede utilizarse de forma pasiva o activa. La pasiva se aprovecha mediante el acondicionamiento pasivo de los edificios, es decir siguiendo las pautas de la arquitectura bioclimática que consiste en diseñar los edificios (con materiales, cerramientos, orientación, colores, tipos cubiertas…) de manera que aprovechen de forma óptima las condiciones ambientales del entorno para disminuir el consumo de energía convencional sin renunciar a los niveles de confort demandados. En cambio la forma activa, usa la tecnología para captar energía solar clasificándola según el margen de temperatura que se requiera. Así se tienen tres tipos de energía solar térmica: de baja, media y alta temperatura (C. Eduambiental, 2005). POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 58 2.3.2.1 E. S. T. BAJA TEMPERATURA Esta tecnología alcanza un rango de temperatura por debajo de los 90-100ºC. Y su uso se suele destinar principalmente al calentamiento de agua, por debajo de su punto de ebullición, para obtener agua caliente sanitaria. Esta tecnología está formada por subsistemas de aplicación. Los más generales son: de captación, de acumulación, intercambiador, auxiliar (C. Eduambiental, 2005). [Figura 27] Esquema de una instalación E.S.T. baja temperatura. (C. Eduambiental, 2005) *S. Captación: constituido por los colectores solares térmicos, que a su vez existen tres tipos: no vidriados, de placa plana y de vacío. -C. No vidriados: son una gran cantidad de tubos diminutos de metal o plástico dispuestos en serpentín por lo que circula el agua que aumenta su temperatura (en torno a 30ºC). No necesitan caja ni cubierta de cristal por lo que tienen grandes pérdidas limitando su uso para calentar piscinas en los meses de verano principalmente. Además soportan bien el paso de aguas agresivas como la clorada de piscina, pero en su contra tienen que tienen mala resistencia a tensiones mecánicas al congelarse el agua y a rasguños en la superficie. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 59 [Figura 28] Imagen Instalación E.S.T. baja temperatura de Colectores no Vidriados. (www.temperadodepiscinas.cl) -C. Placa Plana: son los más extendidos comercialmente, consiguiendo aumentos de temperatura en torno a 60ºC. Se usan para producir agua caliente para diversas aplicaciones cómo: ACS, agua caliente industrial, calefacción por suelo radiante, etc. Están compuestos por: -Cubierta exterior: cristal simple o doble de vidrio, o de plástico que realiza el efecto invernadero, reducir las pérdidas de calor y hacer estanco el colector. -Absorbedor: placa metálica pintada con color negro que absorbe la radiación solar, y sobre la que se encuentra soldada una tubería de cobre que conduce el líquido al que se le transfiere el calor progresivamente a su paso por el serpentín que forma la tubería. -Aislante térmico: recubre laterales y parte posterior del colector para evitar pérdidas de calor. -Carcasa: caja que contiene a los demás elementos proporcionando rigidez, manteniendo el interior sellado y protegido de los fenómenos atmosféricos. Ligera y resistente a la corrosión. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 60 [Figura 29] Imagen Instalación E.S.T. baja temperatura de Colectores de Placa Plana. (www.soliclima.es) -C. Tubo de vacío: alcanzan mayores temperaturas en torno a los 100ºC. Por lo que su aplicación más usual es para agua caliente en procesos industriales, para las máquinas de absorción para producir frío, instalaciones de calefacción con radiadores convencionales de alta temperatura, para precalentar el fluido a la entrada de una caldera, etc. En comparación con los de placa plana, el vidrio exterior se sustituye por los propios tubos, en los que se ha hecho el vacío en su interior, impidiendo la transmisión de calor al exterior. Se suelen utilizar en climas con poca radiación solar, al aprovechar muy bien la radiación (C. C. Madrid, 2003). *S. Acumulación: está compuesto por tanques de acero tratado generalmente, que almacenan el líquido calentado hasta que sea demandado. *S. Intercambiador: es un componente que transfiere el calor de un circuito primario (captador) a otro secundario (consumo), siendo ambos circuitos independientes entre sí. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 61 *S. Auxiliar: compuesto por un conjunto de elementos y dispositivos tales como tuberías de conducción, válvulas, bombas, purgadores, energía auxiliar, etc. (C. Eduambiental, 2005). [Figura 30] Imagen Instalación E.S.T. baja temperatura de Colectores de Tubos de Vacío. (www.crisenergiasolar.com) 2.3.2.2 E. S. T. MEDIA TEMPERATURA Esta tecnología consigue una gran radiación solar en una superficie muy reducida. Alcanzando unas temperaturas de 100-400ºC (C. C. Madrid, 2003). Suele tener dos aplicaciones principalmente: la producción de calor en procesos industriales, y la generación de electricidad al conectar el fluido caliente que pasa por los colectores (en torno 400ºC) con un sistema convencional de producción de electricidad a partir de un ciclo térmico para luego conectarse a la red de distribución eléctrica. Esta tecnología está formada por subsistemas que son: de captación, intercambiador de tanques de aceite, evaporación de gases y de aplicación (C. Eduambiental, 2005). Está constituida por dos tipos de colectores denominados de concentración, que concentran la radiación solar recibida en un elemento receptor: POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 62 -C. Cilindro-parabólicos: se utilizan reflectores de espejo en forma cilindroparabólicos para concentrar la luz solar en tubos receptores térmicamente eficientes ubicados en la línea focal de la parábola por los que circula en su interior un fluido (generalmente aceites térmicos sintéticos) que es bombeado por intercambiadores para producir vapor que se convierte en energía eléctrica en un generador de turbinas de vapor convencional, o para poderse integrar en un ciclo combinado de turbinas de vapor y de gas. Los canales suelen tener un mecanismo seguidor de captación en el eje norte-sur y precisan de una buena y continua orientación solar. Y los materiales de los que se constituye está tecnología son materiales especiales que aguanten las altas temperaturas (en torno a 400ºC) a los que son sometidos. [Figura 31] Esquema instalación E.S.T. media temperatura de Colectores Cilindro-parabólicos. (http://www.shv.es) POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 63 [Figura 32] Imagen instalación E.S.T. media temperatura de Colectores Cilindro-parabólicos. (http://www.textoscientificos.com) -C. Lineal Fresnel: son conjuntos de receptores de espejos planos en filas a ambos lados, inclinados ligeramente que concentran linealmente la radiación solar hacia un tubo que absorbe y concentra esta radiación a lo largo de una fila que traza el eje de simetría del conjunto total de receptores. Es un sistema con grandes longitudes focales (Richter, Teske y Shor, 2009). [Figura 33] Esquema instalación E.S.T. media temperatura de Colectores Lineales Fresnel. (www.palebludot.com) POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 64 [Figura 34] Imagen instalación E.S.T. media temperatura de Colectores Lineales Fresnel. (www.inhabitat.com) 2.3.2.3 E. S. T. ALTA TEMPERATURA En esta tecnología se consigue una concentración de la radiación muy alta, que es recibida de grandes extensiones de reflectores en un solo punto. Son capaces de alcanzar temperaturas de 400-1000ºC (C. C. Madrid, 2003). Se suele destinar fundamentalmente a la generación de energía eléctrica y está compuesta por los subsistemas de: captación, intercambiador de tanques de aceite, evaporación de gases, transformación de la energía cinética de los gases en energía mecánica de rotación y subsistema de generación eléctrica accionado por turbina (C. Eduambiental, 2005). Está constituida por dos tipos de colectores denominados de concentración puntual, que concentran la radiación solar recibida en un foco puntual reduciendo así pérdidas por radiación y convección. -C. Discos parabólicos: están constituidos por espejos que a modo de revolución en forma de disco parabólico, concentran los rayos solares en un receptor focal puntual del disco (a modo antena parabólica de comunicación), POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 65 permitiendo que la radiación de los rayos concentrados se absorba por el receptor para calentar un fluido o gas (en torno de los 750-900ºC) que se utiliza para generar electricidad en un pequeño pistón, motor Stirling, o de una micro turbina conectada al receptor. [Figura 35] Esquema E.S.T. alta temperatura de Discos Parabólicos con motor Stirling. (www.ecokoncepts.wordpress.com) [Figura 36] Imagen E.S.T. alta temperatura de Discos Parabólicos con motor Stirling. (www.internationalrivers.org) POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 66 -C. Receptor Central (o Torre Solar): consiste en un conjunto de espejos reflectores orientados con sistemas de seguidor solar llamados heliostatos, que están distribuidos alrededor de un foco que tiene un receptor instalado en lo alto de una torre que absorbe la radiación altamente concentrada por los heliostatos (en torno a temperaturas de 1000ºC), transfiriéndola a un fluido (agua/vapor, sales fundidas o aire) para transformarla en energía térmica que se utiliza para generar vapor altamente calentado para una turbina que genera electricidad (Richter, Teske y Shor, 2009). [Figura 37] Esquema instalación E.S.T. alta temperatura de Receptor Central (Torre Solar). (C. Eduambiental, 2005) POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 73 disponibilidad para integración a la red y los objetivos de costes previstos de producción en serie están aún por probar. Los Concentradores Lineal de Fresnel son plantas conectadas a la red, o bien generan vapor para su uso en plantas térmicas convencionales. Es una tecnología ya disponible con muy alta eficiencia solar (sobre todo al mediodía solar) y que puede adquirirse en espejos planos para doblarlos en situ, lo que significa menor coste de fabricación. Además contempla operaciones híbridas. Pero como desventaja tiene su reciente entrada en el mercado, en dónde sólo hay pequeños proyectos operativos (Richter, Teske y Shor, 2009) A continuación plasmamos un cuadro de elaboración propia con las características principales de cada tecnología recopiladas de diferentes fuentes. En este cuadro no se incluye la tecnología Fresnel debido a que no está en mercado y no se han obtenido datos comerciales fiables. [Figura 41] Tabla comparativa tecnologías E.S.T. Media y Alta Temperatura. (Elaboración propia a través de otras fuentes) TECNOLOGÍAS MEDIA Y ALTA Tª (E.S.T) C. Parabólicos Receptor Central Disco Parabólico (Fuente) Tamaño 30 – 80* (MW) 100 – 200* (MW) 5 – 25 (kW) Romero M., 2008 Temperatura operación (ºC) 390 565 750 Romero M., 2008 Eficiencia pico (%) 20% (Demostrado) 23(Previsión) 29,4 (Demostrado) Romero M., 2008 Eficiencia Neta Anual (%) 11 – 16%* 7 – 20%* 12 – 25% (Previsión) Romero M., 2008 Estado Comercial Disponible Demo. gran escala Demo. prototipos Romero M., 2008 Riesgo Tecnológico Bajo Medio Alto Romero M., 2008 Disponibilidad Almacenamiento Limitado Si Baterías Romero M., 2008 Factor Concentración Rad. Solar 30 – 80 veces 200 – 1000 veces 1000 – 4000 veces Rueda F., 2005 Factor de Capacidad*** 28,5% 33,3% 49,6% Téllez F., 2009 Demanda satisfecha aporte solar*** 50% 29,2% 45% Téllez F., 2009 Diseños Híbridos Si Si Si Romero M., 2008 Coste W instalado €/m2 491 – 255* 440 – 185* 2870 – 296* Romero M., 2008 Coste W instalado €/W 3,7 – 2,5* 4,0 – 2,3* 11,7 – 1,2* Romero M., 2008 Coste W instalado €/Wp 3,49 – 1,13** 2,09 – 0,78** 11 – 0,96** Romero M., 2008 C. global electr. (solo solar) €kWhel*** 0,172 0,154 0,281 Téllez F., 2009 C. O&M incl. coste global €/kWhel*** 0,032 0,036 0,046 Téllez F., 2009 *Rango indicado al periódo de 2005 a 2030. ** €/Wp referido coste con y sin almacenamiento de energía. *** C.Parabólicos (Aceite), Receptor Central y Disco Parabólicos (Sales) y las tres tecnologías para 3 h. de almacenamiento energía. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 74 Por lo tanto entre las tecnologías existentes para realizar el estudio en el ciclo integral del agua en la ciudad de Zaragoza, se elegirán la tecnología de Colectores Cilindro-parabólicos debido a que es una tecnología comercial y con bajo riesgo tecnológico, aprovechan bien el terreno y están formados por módulos. 2.5 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EN EL CICLO DEL AGUA DE ZARAGOZA. CÁLCULOS. 2.5.1 RESUMEN DEL PROCEDIMIENTO Para cada una de las tres plantas a estudio se ha seguido un método basándonos en la superficie disponible que se tiene en cada planta para la colocación de los módulos fotovoltaicos. Teniendo las dimensiones de un módulo fotovoltaico por defecto de la tecnología elegida, se han realizado los cálculos para aproximar cuantos paneles ocuparían esa superficie, de cuanta potencia pico es cada panel y por consiguiente cuanta energía se genera. Así se sabrá qué porcentaje cubren del consumo eléctrico total de la planta a estudio. Posteriormente en una tabla paramétrica se realiza una estimación de cuantos módulos fotovoltaicos y cuanta superficie en cada planta harían falta para poder cubrir toda la demanda anual de consumo eléctrico con la energía generada por los módulos fotovoltaicos. Para realizar los cálculos se ha utilizado el programa “EES” (Engineering Equation Solver). POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 75 2.5.2 PROCESO DE RESOLUCIÓN El proceso de resolución se realiza para las tres plantas a estudio del mismo modo, por lo que la dinámica de este proceso de resolución se podrá aplicar a las otras dos plantas de estudio, teniendo en cuenta sus diferentes flujos de consumos de electricidad, así como la superficie disponible en cada planta y los caudales de agua a tratar. En el presente estudio se utilizan valores extraídos de la página web http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis. El estudio se ha realizado con la base de datos de radiación clásica de “PVGIS” y para la ciudad de Zaragoza que tiene una localización de 41°39'22" Norte, 0°52'35" Oeste y una elevación de 211 metros sobre el nivel del mar. Cómo parámetros elegidos en el estudio, se ha elegido un ángulo de 35º de inclinación con 0º de acimut (orientación sur) debido a que estamos en el hemisferio norte. Cómo valor de las pérdidas totales del sistema fotovoltaico se ha elegido un PR (Performance Ratio) de 75,2%, tomándolo cómo un valor fijo durante todo el año. Este valor se ha obtenido estimándolo del performance ratio medio de “PVGIS”. Después, se ha procedido a la obtención de datos de la columna de “Hm” (irradiación o energía incidente mensual en una superficie) en kWh/m2. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 76 [Figura 42] Datos de irradiación mensual en Zaragoza según base de datos de PVGIS clásico. (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis) *A continuación se explican para el caso de la ETAP de Casablanca, las constantes y variables del programa, su nombre utilizado y la forma de calcularlas: CA_mes (es la cantidad de agua a tratar cada mes en m3 por la planta). CE_potab (consumo eléctrico en kWh sólo para potabilización cada mes). CE_fango (consumo eléctrico en kWh para la línea fangos kWh cada mes). CE_mes (consumo eléctrico total (suma de CE_potab y CE_fango) en kWh cada mes). ratio_CE_CA_mes (ratio mensual de consumo eléctrico por metro cúbico) HSP_mes (es la irradiación mensual, columna de datos de PVGIS llamada atrás Hm). HSP_año (es la suma anual de la irradiación mensual de cada mes). G = 1 kW/m2 (Constante de Irradiancia Solar, en Condiciones Estándar de Medida en la célula solar que son: irradiancia de 1000 W/m2, temperatura de célula 25ºC y distribución espectral AM de 1,5 G). alfa_incl_opt = 35º (inclinación óptima para los módulos fotovoltaicos). DATOS PVGIS Hm (kWh/m²) Enero 91,2 Febrero 101 Marzo 151 Abril 153 Mayo 173 Junio 178 Julio 189 Agosto 180 Septiembre 163 Octubre 132 Noviembre 94,2 Diciembre 80,6 Media anual 141 Total año 1690 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 77 beta_lat_zgz = 41,64º (Latitud de Zaragoza 41º 39' 22'' según “PVGIS”). hs_min = (en grados, altura solar mínima para el hemisferio norte que es el 21 de Diciembre). Para calcular la altura solar mínima se utiliza esta fórmula. rdto_SC = 0,15 (15% que es el valor por defecto elegido para el rendimiento de la tecnología fotovoltaica de Silicio Monocristalino). PR_SC = 0,752 (75,2% valor que queda al restar las pérdidas globales del sistema fotovoltaico). Se usará el mismo valor constante del performance ratio a lo largo del año para simplificar los cálculos. L_pan = 1,6 m (largo del panel fotovoltaico en metros, se ha elegido esta medida por defecto). An_pan = 0,8 m (ancho del panel fotovoltaico en metros, se ha elegido esta medida por defecto). Se tiene en cuenta que hay que dejar una distancia mínima entre las filas de los módulos fotovoltaicos según el ángulo de altura solar mínima para el peor mes del año (21 de diciembre para hemisferio norte) para evitar posibles sombras entre ellos, y para calcularla se usará esta fórmula: hsmin = 90 – lat;zgz – 23,5 dentre;pan = Lpan · sin ( alfaincl;opt ) tan ( hsmin ) + Lpan · cos ( alfaincl;opt ) POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 78 d_entre_pan = 3,29 m (distancia mínima entre hileras de módulos fotovoltaicos para evitar sombras entre ellos). [Figura 43] Esquema conceptual de la distancia entre módulos fotovoltaicos. sup_panSC = 1,28 m2 (superficie de incidencia solar del módulo fotovoltaico). La distancia mínima entre paneles por la anchura de cada panel será la superficie ficticia en el suelo que ocupe cada módulo fotovoltaico para evitar sombras entre hileras. sup_sueloSC = 2,634 m2 (superficie ficticia de cada módulo fotovoltaico sobre el suelo de la superficie disponible para instalar los módulos). sup_etap = (en m2 superficie con la que se ha realizado la instalación existente de fotovoltaica en la planta de Casablanca). suppanSC = Lpan · Anpan supsueloSC = dentre;pan · Anpan POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 79 Para calcular el número de módulos fotovoltaicos que caben de forma aproximada en la superficie real de la planta dividiremos la superficie de la planta por cada superficie ficticia que necesita cada módulo para evitar sombras entre ellos. Una vez calculado el número de paneles necesario de silicio monocritalino, se procede a calcular la potencia pico necesaria de cada módulo fotovoltaico. Para ello tendremos en cuenta la constante de irradiancia solar “G” que tiene un valor de 1 kW/m2, el rendimiento de las células fotovoltaicas que es la relación entre la energía que se genera respecto de la que le incide, en este caso el 15%, y por último la superficie efectiva de captación solar de cada módulo. Una vez calculado la potencia pico de un panel en kW, multiplicaremos por el número de paneles que hemos calculado anteriormente, y obtendremos la potencia de nuestra instalación. Para calcular la energía que podemos generar al mes en kWh con estos módulos, se tienen en cuenta la energía solar que les inciden cada mes, así como las pérdidas que se producen en la instalación reflejadas en el valor del performance ratio. npan;tot;SC = supetap supsueloSC P1panSC = suppanSC · G · rdtoSC Pgentot;SC = P1panSC · npan;tot;SC POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 80 A continuación se realiza el sumatorio de la energía generada por nuestro sistema para todos meses, obteniendo la energía que producimos al año. Otras variables calculadas para ver mejor los resultados son: B_mes_SC = (en kWh, es la diferencia que hay para cada mes entre el consumo eléctrico de la planta y la energía generada por el sistema). B_tot_SC = (en kWh, es la diferencia que hay al año entre el consumo eléctrico de la planta y la energía generada por el sistema). E%_cubro_mes_SC = (en porcentaje, es la demanda de consumo eléctrico que se cubre al mes respecto del consumo total). E%año_cubro_SC = (en porcentaje, es la demanda de consumo eléctrico que se cubre al año respecto del consumo total). Egentot;SC = i=1 12 ( Egenmes;SC;i ) Btot;SC = Egentot;SC – CEtot;año POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 81 CA_ahorra_año_SC = (m3 de agua a tratar se ahorran con la energía generada por el sistema fotovoltaico respecto del consumo total al año). CA%_ahorra_año_SC = (en porcentaje, m3 de agua a tratar se ahorran con la energía generada por el sistema fotovoltaico respecto del consumo total al año). E%añocubro;SC = Egentot;SC · 100 CEtot;año CAahorra;año;SC = Egentot;SC · CAaño CEtot;año CA%ahorra;año;SC = CAahorra;año;SC · 100 CAaño POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 82 2.5.3 RESULTADOS PARA E. S. FOTOVOLTAICA En los siguientes subapartados se irán detallando los resultados obtenidos para cada tipo de planta que se ha estudiado. 2.5.3.1 RESULTADOS ETAP CASABLANCA Los resultados obtenidos para la planta potabilizadora de Casablanca, determinan que el número de módulos fotovoltaicos necesarios para la superficie real disponible de la planta es de 39.487 con una potencia unitaria de 192 W. La planta tendría una potencia instalada de 7.581 kW y generaría una energía anual de 9.612.347 kWh. El balance entre la energía anual generada menos el consumo eléctrico de la planta sería positivo alcanzando una energía excedente de 2.932.862 kWh. Ese porcentaje representa 144%, es decir excede un 44% del 100% de energía que demanda la planta. Este porcentaje es el mismo que el ahorro de consumo de agua respecto del total. Ese ahorro equivale a 93.159.757 m3 de agua al año. [Figura 44] Cuadro resumen resultados FV para Casablanca. (elaboración propia) Resultados Nº módulos Potencia 1 módulo [kW] Potencia planta [kW] Energía generada año [kWh] B.Energía anual Egen-CE [kWh] B.Energía anual Egen/CE [%] Agua ahorro año del total [m³] Agua ahorro año del total [%] 93.159.757 144 0,192 7.581 9.612.347 2.932.862 144 39.487 ETAP CASABLANCA 104.000 m² FV SC Superficie real POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 89 [Figura 52] Gráfico que muestra el caso de que el consumo de la planta anual respecto a la energía generada al año fuese el mismo. (elaboración propia) En el gráfico anterior se muestra la energía generada por los módulos fotovoltaicos y el consumo eléctrico de la planta cada mes, en el caso de que la energía generada anual y el consumo anual fuesen iguales. Se aprecia también como en la anterior planta estudiada, que principalmente en los meses de verano la demanda quedaría cubierta y en cambio en invierno no. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 90 2.5.3.3 RESULTADOS EDAR LA ALMOZARA Los resultados obtenidos para la planta depuradora de La Almozara, determinan que el número de módulos fotovoltaicos necesarios para la superficie que se ha estimado disponible de la planta, es de 3.797 con una potencia unitaria de 192 W. La planta tendría una potencia instalada de 729 kW y generaría una energía anual de 924.264 kWh. El balance entre la energía anual generada menos el consumo eléctrico de la planta sería negativo, alcanzando un déficit de energía 1.706.363 kWh. Esto significa que el porcentaje de consumo eléctrico que se cubriría con la instalación es del 35,13 % del total. Este porcentaje es el mismo que el que se ahorra de agua respecto del total. Ese ahorro equivale a 4.201.202 m3 de agua al año. [Figura 53] Cuadro resumen resultados FV para La Cartuja. (elaboración propia) Resultados Nº módulos Potencia 1 módulo [kW] Potencia planta [kW] Energía generada año [kWh] B.Energía anual Egen-CE [kWh] B.Energía anual Egen/CE [%] Agua ahorro año del total [m³] Agua ahorro año del total [%] EDAR LA ALMOZARA FV SC Sup. estimada 10.000 m² 35,13 4.201.202 35,13 3.797 0,192 729 924.264 -1.706.363 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 91 [Figura 54] Gráfico que muestra el consumo de la planta respecto a la energía generada mes a mes durante el año. (elaboración propia) En el gráfico se muestra la energía generada cada mes por los módulos fotovoltaicos respecto del consumo total de la planta cada mes. Como en los anteriores casos ocurre que para los meses de verano se cubre toda la demanda, pero para los de invierno no. En la siguiente tabla paramétrica se ha estimado con cuantos módulos fotovoltaicos se cubriría el consumo eléctrico anual de la planta, y cuanta superficie se necesitaría aproximadamente para poder instalarlos. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 92 [Figura 55] Tabla paramétrica de resultados para La Almozara. Harían falta 3.797 módulos fotovoltaicos de potencia 0,192 kW cada uno, siendo la instalación de 2.075 kW e instalados en una superficie de 28.462 m2. Al igual que en los dos casos de estudios anteriores, también se ha decidido intercalar valores intermedios para poder apreciar cómo varían los resultados conforme va aumentando la superficie de la depuradora hasta llegar a la superficie que necesitaría la instalación fotovoltaica para producir el consumo eléctrico anual de la planta. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 93 [Figura 56] Gráfico que muestra el caso de que el consumo de la planta anual respecto a la energía generada al año fuese el mismo. (elaboración propia) En el gráfico anterior se muestra la energía generada por los módulos fotovoltaicos y el consumo eléctrico de la planta cada mes, en el caso de que la energía generada anual y el consumo anual fuesen iguales. Al igual que los casos anteriores ocurre lo mismo para los meses de verano y para los de invierno. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 94 2.6 ENERGÍA SOLAR CON CILINDRO-PARABÓLICOS PARA EL CICLO DEL AGUA DE ZARAGOZA. CÁLCULOS 2.6.1 RESUMEN DEL PROCEDIMIENTO Para realizar la estimación con la tecnología solar de colectores cilindro parabólicos, se han obtenido datos de un proyecto final de carrera: “Análisis de la tecnología de concentración solar mediante colectores cilindro parabólicos para generación eléctrica” realizado en la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza (Ciria, 2010). En él se estudia el funcionamiento de una planta termosolar usando un programa de cálculo “Solar Advisor Model”. Los datos obtenidos de este trabajo se han comparado con otros estudios publicados y se han comprobado la adecuación de las suposiciones realizadas para el caso que nos ocupa. Así partiendo de los siguientes resultados de producción obtenidos en dicho proyecto se realizan los cálculos estimativos usando el programa “EES”. Debido a la falta de datos sobre Zaragoza, se considerará los mismos valores que el lugar en dónde se ha realizado el proyecto, Almería. Y con unas condiciones meteorológicas iguales de 18,5ºC de temperatura ambiente, 800 W/m2 de radiación de diseño y una velocidad del viento de 6,7 m/s. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 95 [Figura 57] Características generales de la planta termosolar. (Ciria, 2010) [Figura 58] Datos obtenidos de una central termosolar mediante análisis de un CCP con almacenamiento en España mediante el programa informático “SAM”. (Ciria, 2010) POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 96 2.6.2 MÉTODO DE RESOLUCIÓN De los datos anteriores se han obtenido los ratios de los diferentes valores de la tabla respecto a la potencia de la central termosolar. A continuación se explican las constantes y variables utilizadas, su denominación y la forma de calcularlas: Los datos básicos de referencia son: MS = 2 (Múltiplo Solar, es el número de veces que se produce la energía térmica necesaria para hacer funcionar el bloque de potencia a su capacidad nominal durante las horas en las que la radiación normal directa, la temperatura y la velocidad del viento son iguales a las condiciones de referencia). S_aper_colec = 817,5 m2 (Área de apertura del colector EuroTroguh ET150). h_almac = 7,5 h (Es la capacidad en horas de almacenamiento térmico del sistema). Los datos de las constantes y variables obtenidos del proyecto nombrado de 50 MW en Almería, empiezan todos por la “A” para diferenciarlos de los datos que hemos calculado para nuestro estudio que empiezan todos por “Z”. A_W_e_dis = 50.000 kW (potencia de la planta de Almería 50MW). A_sup_CCP = 510.120 m2 (superficie ocupada por los espejos cilindroparabólicos). A_sup_CS = 1.950.000 m2 (superficie ocupada total por la planta entera). A_Egen = 184.139.000 kWh (energía eléctrica producida por la planta al año). A_cons_agua = 570.000 m3 (consumo total de agua que requiere la planta). A_cons_fuel = 91.955.000 kWh (consumo térmico de combustible fósil que requiere la planta al estar apoyada un 15% por una caldera de Gas Natural). POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 97 A_Q_almac = 1.065.890 kW (potencia térmica que tiene de capacidad de almacenamiento la planta). Para calcular el número de colectores se ha utilizado la siguiente ecuación: El resultado es la variable A_n_colect = 312 colectores cilindro-parabólicos. El siguiente paso ha sido calcular los valores de los ratios a partir de los datos anteriores: A_r_m2\kW_CCP; (Ratio de m2 de superficie ocupada por colectores cilindroparabólicos por cada kW potencia instalada). A_r_m2\kW_CS; (Ratio de m2 de superficie ocupada total por la planta por cada kW potencia instalada). A_r_kWh\kW; (Ratio energía generada total al año por la planta por cada kW potencia instalada). An;colect = Asup;CCP MS · Saper;colec Ar;m2\kW;CCP = Asup;CCP AW;e;dis Ar;m2\kW;CS = Asup;CS AW;e;dis Ar;kWh\kW = AEgen AW;e;dis POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 98 A_r_m3\kW; (Ratio de consumo de agua de la planta por cada kW potencia instalada). A_r_kWt\kW_f; (Ratio de consumo de potencia térmica de combustible fósil por cada kW potencia instalada). A_r_kWt\kW_a; (Ratio de capacidad de potencia térmica de almacenamiento por cada kW potencia instalada). Una vez calculados los ratios, se han creado unas variables que empiezan todas por la letra “Z” para diferenciarlas de las del proyecto de Almería, y se han usado los diferentes ratios para a partir de los datos que queramos estimar se obtengan unos resultados al realizar una tabla paramétrica. Las variables y las ecuaciones utilizadas son: Z_W_e_dis; (potencia en kW de la planta). Z_sup_CCP; (superficie en m2 ocupada por los espejos cilindro-parabólicos). Ar;m3\kW = Acons;agua AW;e;dis Ar;kWt\kW;f = Acons;fuel AW;e;dis Ar;kWt\kW;a = AQ;almac AW;e;dis POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 105 consumo necesario de la planta cada año, en terrenos cercanos a las propias plantas. Lo que significaría un problema encontrar superficies de tierra en dónde implantar la tecnología, y en el caso de los cilindro-parabólicos que estas extensiones fuesen llanas. En el segundo cuadro se agrupan los resultados obtenidos al considerar la hipótesis de que la superficie disponible real en cada planta es igual a la superficie que ocupan los módulos fotovoltaicos. En este caso no se han realizado cálculos porque las superficies consideradas son las referentes a cubiertas y tejados de cada planta, por lo que en el caso de los cilindro-parabólicos, aunque sí pudiésemos colocar en estas superficies los colectores, seguiríamos necesitando espacio para los demás elementos de la planta, principalmente el bloque de potencia y el sistema de almacenamiento. Un aspecto a reseñar es que en el caso de las dos depuradoras, el hecho de contar con consumos térmicos podría llevar a estudiar un sistema híbrido que cubriera la demanda eléctrica de la planta, con un sistema de almacenamiento térmico, del cual se abasteciera para los consumos térmicos y poder generar electricidad en horas en las que la radiación solar no fuera suficiente. [Figura 61] Tabla de resultados obtenidos de considerar igual superficies de producción y reales. (elaboración propia) Nº módulos Potencia planta [kW] Energía generada año [kWh] B.Energía anual Egen/CE [%] Sup.ocupa tecnología [m²] FV 9.612.347 7.581 Casablanca Resultados 2: superficie disponible en planta igual superficie ocupación FV 2.723.714 924.264 144% 62% 35% 2.148 729 104.000 29.469 10.000 39.487 11.189 3.797 La Cartuja La Almozara Sup. Planta [m²] Sup. Planta [m²] Sup. Planta [m²] POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 106 En este cuadro de resultados, las superficies referentes a cubiertas y tejados con la implantación de tecnología fotovoltaica se pueden aprovechar para generar electricidad de la que luego obtener beneficios mediante precio por primas, o quizás en un futuro no muy lejano para el autoconsumo propio de cada planta, excepto en el caso de Casablanca, que sería para autoconsumo y el excedente de energía generada que sería de un 44% aproximadamente, podría venderse a la red eléctrica. Para los casos de La Cartuja y de La Almozara, la energía que se genera respecto del consumo eléctrico de la planta es un 62% y un 35% del total respectivamente. La Almozara tiene unos valores con respecto a la superficie real disponible de la planta inventado por la falta de datos reales, y se ha elegido ese valor por contrastar con las superficies de las otras dos plantas y porque es también la planta más pequeña de las tres. En el caso de la potabilizadora de Casablanca, existe realmente una instalación de energía solar fotovoltaica implantada que según los datos de referencia de la instalación está compuesta por 10.240 módulos fotovoltaicos, que emplean una superficie de 50.000 m2, generan al año alrededor de 3.300.000 kWh, tiene una potencia instalada de 2000 kW. El ahorro de agua que supone la generación de energía con este tecnología es alrededor de los 25.000.000 de m3 de agua, equivalentes a un 60% del consumo de agua total al año de la planta (Entralgo, J.R. 2010) (Ayto. Zaragoza, 2009). Estos datos en comparación con los que se estiman en este estudio, tienen cierta coherencia. Pero en la instalación real quizás no se haya tenido en cuenta el consumo eléctrico de la planta, referente a la línea de fangos. Este valor unido a los errores citados anteriormente de estimación en el estudio hacen que los resultados obtenidos sean más optimistas que los resultados de la instalación fotovoltaica real, tal y como se puede observar en la siguiente tabla paramétrica [Figura 62]. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 107 [Figura 62] Tabla paramétrica comparativa de la estimación de instalación fotovoltaica real con el potencial de instalación fotovoltaica hipotética. (elaboración propia) En la segunda fila se muestran los datos referentes al potencial de una instalación fotovoltaica que se podría tener si se aprovechase la superficie total disponible. Estos datos en comparación con los datos de la primera fila, que son los calculados en este estudio, sirven de referencia para compararlos con los que se citan anteriormente de la instalación fotovoltaica real de la planta potabilizadora de Casablanca. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 108 3. VIABILIDAD ECONÓMICA POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 109 3.1 ANÁLISIS DE VIABILIDAD ECONÓMICA Un análisis de viabilidad económica sirve para demostrar que un proyecto tiene posibilidad de éxito económico y es factible desde el punto de vista financiero. Uno de los criterios en los que se basan las decisiones financieras es en los flujos de caja o “Cash Flow”, que supone estimar la corriente de cobros y pagos que se producen durante el tiempo que dura el proyecto. Sobre esta base, la elección de los proyectos se puede realizar utilizando distintos criterios de decisión, entre ellos están los criterios aproximados como el plazo de recuperación de la inversión o “Pay back” o el Tanto Medio de Rentabilidad (TMR), y los criterios de decisión total como el Valor Actual Neto (VAN), la Relación Beneficio-Coste (RBC) o la Tasa Interna de Rentabilidad (TIR). Para calcularlos, las variables que resultan importantes son: *Inversión: es el producto del coste total de la inversión en €/kW por los kW de la instalación. Podrá ser financiado a través de recursos propios o ajenos. Para todos los casos a estudio se ha supuesto un 20% de recursos propios y un 80% de recursos ajenos (Ver Anexo B). *Años de financiación de préstamo: es el número de años en los que devolver la cantidad económica prestada mediante cuotas anuales. Para todos los casos se ha considerado el periodo de 10 años (Ver Anexo B). *Ingresos: son los ingresos derivados de la venta de energía o cualquier otro subproducto, también puede ser el ahorro conseguido. En este caso es el producto resultado del precio de venta de la energía en €/kWh por la energía generada a lo largo del año de la instalación en kWh (Ver Anexo B). *Costes de explotación: son los costes derivados de las tareas de operación y mantenimiento principalmente. En este caso para simplificar se ha considerado el valor del 5% de los ingresos (Ver Anexo B). POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 110 *Subvención: son cantidades o beneficios sin contraprestación. En este caso no hay subvención por lo que el porcentaje de subvención respecto de la cantidad inversión será cero (Ver Anexo B). *Inflación anual: se asimila al índice de precios de consumo (IPC). En este caso se ha realizado una media del IPC general desde Diciembre de 2008 a Diciembre de 2010 (ver tabla [Figura 63] y Anexo B). [Figura 63] Tabla variación Índice General Nacional (IPC). (INE 2011) *Interés préstamos: es el coste financiero medio. Se toma como referencia un 6,25% anual (Ver Anexo B). *Interés de mercado (VAN): se aproxima al valor de la inflación anual, y es el tipo de interés que se negocia en el mercado. En este caso se ha tomado el valor del 3% de inflación (Ver Anexo B). *Amortización de inmovilizado: es la depreciación del bien. Se valora económicamente como un gasto que se reparte a lo lago de la vida útil del Periodo Variación % dic-08 a dic-09 0,8 ene-09 a ene-10 1 feb-09 a feb-10 0,8 mar-09 a mar-10 1,4 abr-09 a abr-10 1,5 may-09 a may-10 1,8 jun-09 a jun-10 1,5 jul-09 a jul-10 1,9 ago-09 a ago-10 1,8 sep-09 a sep-10 2,1 oct-09 a oct-10 2,3 nov-09 a nov-10 2,3 dic-09 a dic-10 3 Media (dic-08 hasta dic-10) 1,7 Fuente: INE (Act.14 de enero de 2011) Índice general Nacional (IPC) POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 111 bien. En este caso será el valor del 4% porque se analizará a lo largo de 25 años de vida (Ver Anexo B). *Impuesto de sociedades: es un impuesto directo sobre la renta que recae sobre los beneficios obtenidos por las sociedades. En este caso el valor es del 30% del beneficio (Ver Anexo B). (Dejo, N. 2010) 3.1.1 FLUJOS DE CAJA (CASH FLOW) Para calcular los flujos de caja, habrá que realizar una secuencia de adiciones y substracciones que dependen de unas variables para determinarán el flujo de caja final de cada año. La secuencia empieza con los ingresos de explotación, que son los ingresos derivados de la venta de energía o cualquier otro subproducto, así como también pueden ser los ahorros obtenidos. Si a los ingresos de explotación les descontamos los costes directos, que son los que provienen de materias primas, mano de obra directa y mantenimiento principalmente, obtenemos el beneficio bruto. Si a este beneficio bruto se descuenta la amortización del inmovilizado, que son los costes pero no pagos y que se deducen fiscalmente al aplicar los coeficientes de amortización (lineal, progresiva o decreciente), y se añaden los ingresos derivados por subvenciones, en caso de que las haya, obtenemos el beneficio antes de intereses e impuestos (BAIT). A este BAIT le descontamos el pago de intereses por préstamos, se obtiene el beneficio antes de impuestos (BAT). Si al BAT le descontamos el impuesto de sociedades, que suele ser el 30% de los beneficios, obtenemos el beneficio neto. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 112 Si al beneficio neto se le añaden las amortizaciones y el valor residual (sólo en caso de que no se hubiese amortizado la totalidad de la inversión) y le descontamos el desembolso de la inversión, este último para el año cero será la inversión con recursos propios, y para los demás años será la cantidad de devolución del préstamo durante los años de duración del mismo. Al final de la secuencia se obtiene el flujo de caja, que se calcula para cada año hasta que deja de haber flujos financieros, es decir, hasta que se dejan de recibir cobros o pagos correspondientes al proyecto (Dejo, N. 2010). [Figura 64] Cuadro resumen de dirección descendente de la secuencia del flujo de caja. (Dejo N., 2010) AÑO (+) Ingresos (-) Costes explotación (=) BENEFICIO BRUTO (-) Amortización (+) Subvención (=) B.A.I.T. (-) Interés préstamo (=) B.A.T. (-) Impuesto Sociedades (=) BENEFICIO NETO (+) Amortización (-) Desembolso inversión (=) CASH FLOW POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 113 3.1.2 TASA DE RETORNO (PAY BACK) Es el plazo que ha de transcurrir hasta que los rendimientos netos igualen al desembolso o coste de la inversión. Es un criterio que prioriza la liquidez frente a la rentabilidad del proyecto, restando importancia a los rendimientos futuros. Es muy útil como primera aproximación, es fácil de calcular y comprender y práctico en inversiones altas y con alto riesgo o con tecnologías cambiantes rápidamente. Los inconvenientes es que prioriza la liquidez frente a la rentabilidad, no tiene en cuenta los flujos de cajas futuros una vez recuperada la inversión inicial, y trata de igual forma a los capitales más próximos que a los más alejados del inicio del proyecto. Por lo que debe complementarse con otros criterios para ser válido (Dejo, N. 2010). 3.1.3 VALOR ACTUAL NETO (VAN) El valor actual neto (VAN) de una inversión es el valor actualizado de todos los flujos de caja esperados a lo largo de su vida. Compara la inversión inicial (C0) con los flujos de caja (Cn) actualizados a lo largo de la vida útil de la inversión. Tiene en cuenta el momento en el que se generan los flujos de caja. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 114 Para que una inversión sea rentable, el VAN tiene que ser positivo, y de entre varias inversiones se elegirá el que tenga mayor VAN. La tasa de descuento ( i ), es el rendimiento mínimo esperado, por debajo del cual la inversión no debe realizarse. Cuanto más elevada sea ésta, el VAN disminuirá cada vez más porque el valor del dinero futuro es menor cuanto mayor es “i”. La tasa de descuento “i” puede tener distintos valores en función de: El coste de oportunidad, que es lo que dejaría de percibir si se invirtiera ese dinero en otro proyecto. El coste financiero para la empresa, aproximándose normalmente al coste medio de financiación de la empresa. La inflación, cuando la única premisa es no perder dinero, se actualizará en torno a la inflación prevista para cada uno de los periodos de duración del proyecto. Siendo dificil estimar en grandes periodos esta tasa de inflación (Dejo, N. 2010). 3.1.4 TASA INTERNA RENTABILIDAD (TIR) La tasa interna de rentabilidad (TIR), es el valor de la tasa de interés (i) que hace que el VAN sea nulo. Expresa la rentabilidad porcentual que se obtiene por el capital invertido, y coincide con la máxima rentabilidad que podría dar el proyecto. Para aceptar una inversión, el TIR debe ser mayor que la tasa de interés, o el mínimo de rentabilidad que la persona responsable exija al proyecto, que suele POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 121 Y por último para el cuarto caso de La Cartuja y La Almozara, se ha procedido de manera diferente que para el cuarto caso de Casablanca. El motivo es que estas plantas no tienen una superficie disponible en tejados y cubiertas para cubrir la demanda eléctrica anual de la planta, por lo que se ha optado por una instalación fotovoltaica que cubra el consumo anual de la planta, pero que una parte de la instalación ocupe toda la superficie disponible en cubiertas y tejados para acogerse a la tarifa regulada tipo I, y el resto de la instalación hasta igualar el consumo anual de la planta, se realice sobre suelo acogiéndose al tipo II de tarifa regulada (Ver Anexo B). En estos casos al ser una opción mixta de venta de energía a red eléctrica, los valores de TIR, VAN y Payback son intermedios a los valores obtenidos de estas dos plantas en el caso número tres, en los que toda la instalación fotovoltaica vende a la red con tarifa regulada de tipo I, y al caso uno, en los que se vende a la red con tarifa regulada de tipo II. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 122 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 123 4. CONCLUSIONES FINALES La progresión tecnológica del ser humano hacia la sostenibilidad, ha encontrado en el ciclo integral del agua un problema energético sin resolver. En estos tiempos supone una preocupación importante el uso de este recurso natural, algo cada vez más difícil debido a la apropiación del agua dulce, y al aumento de la población, con la consiguiente demanda y coste energético de los usos humanos: domésticos, agrícolas e industriales. Por lo que uno de los desafíos más importantes del siglo XXI quizás sea asegurar la suficiente energía y agua para el bienestar y usos de la humanidad, asegurando la salud humana y ecológica, y el cuidado y la recuperación de las cuencas hidrográficas. Una forma de poder hacer sostenible energéticamente estos usos, son las energías renovables. Las energías renovables son inagotables, limpias, se complementan entre sí y se pueden utilizar en el mismo lugar donde se producen, por lo que cada vez adquieren mayor importancia a nivel mundial, y se están desarrollando nuevas tecnologías. En este proyecto final de carrera se ha realizado un primer estudio estimativo con cálculos básicos, sobre el abastecimiento energético del ciclo integral del agua y las posibilidades de integrar en él fuentes renovables. Para ello se ha descrito el ciclo integral del agua y se han recopilado valores energéticos de cada fase que compone este ciclo hídrico. Se han estudiado los consumos eléctricos de las principales instalaciones de depuración y saneamiento del agua en la ciudad de Zaragoza, por aplicar el estudio sobre un caso real. La fuente renovable elegida como energía primaria ha sido la solar. El motivo es que el Sol emite a la tierra 4.000 veces más energía al año de la que vamos a consumir, por lo que al ser una fuente renovable, limpia, inagotable y gratis, tiene mucho sentido intentar aprovecharla de la mejor forma posible. En el futuro la energía solar está llamada a ser la principal fuente de energía de todas las existentes, debido a su gran potencial. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 124 Además España es un país privilegiado en cuanto a la cantidad de radiación solar que incide. Dentro de España, Zaragoza es un lugar dónde también recibe una gran radiación de energía solar, aun teniendo en cuenta su situación geográfica, más cercana al norte del país. Así, el objeto de este trabajo ha sido realizar una primera aproximación a la integración de las dos energías renovables actualmente más comerciales y con menor riesgo tecnológico, como son la energía solar fotovoltaica y la energía termosolar, en concreto la referente a colectores cilindro-parabólicos. Y como caso concreto de estudio, se ha utilizado el ciclo integral del agua en la ciudad de Zaragoza. Por último se han realizado diferentes análisis económicos para estas tecnologías, con el fin de demostrar si resultan viables económicamente. POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 125 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 126 5. ANEXOS POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 127 5.1 ANEXO A: CÁLCULOS EES 5.1.1 CÁLCULOS FV ETAP CASABLANCA POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 128 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 129 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 130 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 137 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 138 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 139 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 140 5.1.3 CÁLCULOS FV EDAR LA ALMOZARA POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 141 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 142 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 143 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 144 POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 145 5.1.4 CÁLCULOS CCP POSIBILIDADES DE LA ENERGÍA SOLAR PARA LAS TECNOLOGÍAS DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA David A. Sanz García 146