Artículo en PDF
Cómo citar el artículo
Número completo
Más información del artículo
Página de la revista en redalyc.org
Sistema de Información Científica
Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Int. Contam. Ambie. 32 (3) 315-322, 2016
DOI: 10.20937/RICA.2016.32.03.06
EVALUACIÓN DE LA SUSTENTABILIDAD DE INSTALACIONES SOLARES CON
COLECTORES DE PLACA PLANA Y TUBOS EVACUADOS
Enrique ALBIZZATI
Facultad de Ingeniería Química, Universidad Nacional del Litoral. Santiago del Estero 2654 Santa Fe,
Argentina, 3000
Correo electrónico:
albizati@fq.unl.edu.ar
(Recibido marzo 2015; aceptado noviembre 2015)
Palabras clave: solar, calentamiento, agua, energía, emisiones
RESUMEN
La generación y el uso de los recursos energéticos producen efectos ambientales, de
modo que en la evaluación de la aplicación de la energía solar es necesario considerar
el ciclo completo de los aprovechamientos a través del análisis del ciclo de vida. En
este trabajo se calculan indicadores de sustentabilidad para el calentamiento solar de
agua, con electricidad (SE) y gas licuado (SGL) como energía auxiliar. Los dispositivos
con colectores de placa plana (PP) tienen valores más bajos de la contribución solar a
la demanda y la efciencia térmica (84.3 % y 34 %), mientras que con tubos evacuados
(TE) ambos valores son 89.3 % y 46.3 % respectivamente. La energía solar térmica
generada y las emisiones evitadas se determinan descontando sobre los valores brutos,
el consumo de energía y las emisiones debido a los requerimientos específcos para la
recogida de la radiación solar. La energía térmica total máxima generada es 189 161.6
MJ (SGL-PP) y la mitigación máxima total es 21 375.2 kg CO
2
eq (SE-PP). La energía
térmica generada por año y por m
2
de colector es más alta con gas licuado y el colector
evacuado (SGL-TE). Sin embargo este tipo de colector maximiza las mitigaciones por
año y por m
2
usando electricidad (SE-TE). Los periodos de amortización energética de
las instalaciones se encuentran entre 8.1 (SGL-TE) y 12.3 meses (SE-PP), mientras que
los periodos de amortización ambientales entre 5.5 (SE-TE) y 12.1 (SGL-PP) meses.
Key words: solar, heating, water, energy, emissions.
ABSTRACT
The generation and use of energy resources produce environmental effects, so that in
the assessment of the application of solar energy is necessary to consider the complete
cycle of the exploitation through the life cycle analysis. In this work sustainability
indicators For solar installations oF water heating, to use electricity (SE) and liquifed
gas (SLG) as auxiliary energy are calculated. Devices with ±at plate collectors (²P)
have lower values oF solar contribution to the demand and thermal eFfciency (84.3%
and 34.0%) however, with evacuated tubes (ET) are 89.3% and 46.3%, respectively.
The solar thermal energy generated and the emissions avoided are determined by
discounting on gross values of energy consumption and emissions due to the spe-
cifc requirements For the collection oF solar radiation. The maximum total thermal
energy generated is 189 161.6 MJ (SLG-²P), and the maximum total mitigation is
E. Albizzati
316
21 375.2 kg CO
2
eq (SE-FP). The energy generated from the collector per year and per
square meter is higher with liquefed gas and evacuated collector (SLG-ET). However
this type of collector maximizes the mitigations per year and per square meter using
electricity (SE-ET). The energy payback periods For these technologies are among 8.1
(SLG-ET) and 12.3 (SE-FP) months, but the environmental paybacks are among 5.5
(SE-ET) and 12.1 (SLG-FP) months.
INTRODUCCIÓN
Las predicciones realizadas sobre la futura dis-
ponibilidad de las energías no renovables y la conta-
minación ambiental provocada por los combustibles
tradicionales (carbón, petróleo y gas natural) favorecen
los proyectos que proponen la incorporación de fuentes
energéticas renovables y no convencionales. El empleo
intensivo de dichos combustibles fósiles en los países
industrializados y la consiguiente emisión de gases de
efecto invernadero, producen el denominado cambio
climático global con su secuela de daños ambientales
y socioeconómicos (IPCC 2013, OMM 2012).
La energía solar es uno de los recursos energéti-
cos renovables más importantes con que se cuenta y
existe un amplio y confable conjunto de tecnologías
para convertirla y utilizarla como energía térmica
(Kalogirou 2009a,
Albizzati 2012a, DuFfe y Bec
-
kman 2013). En el año 2014, considerando sólo
los equipos solares para calentamiento de agua, se
contabilizaba una capacidad para producir 406 GW
térmicos en todo el mundo (REN21 2015).
Sin embargo, dados los impactos que provocan la
generación y el uso de todas las fuentes energéticas,
al evaluar la energía solar se debe analizar en forma
completa el sistema de aprovechamiento aplicando
el análisis de ciclo de vida (ACV). El ACV es un
procedimiento que posibilita evaluar los impactos am-
bientales debidos a un producto o servicio. Al aplicar
este método se deben contabilizar todas las entradas
y salidas en todos los procesos que forman parte de
su vida útil: desde la extracción de materias primas
necesarias para su fabricación hasta su reciclaje y su
disposición fnal (Consoli ±.
et al.
1993, Ihobe 2009).
En varios trabajos se aplicó el ACV con distin-
tos objetivos y herramientas de cálculo, en los que
se determinaron los consumos y benefcios tanto
energéticos como ambientales, del calentamiento
solar de agua doméstica (Ardente
et al.
2005, Rey-
Martínez
et al
. 2008, Kalogirou 2009b,, Hang
et al
.
2012, Koroneos y Nanaki 2012, Greening y Azapa-
gic 2014, Lamnatou
et al
. 2014). Un equipamiento
usado comúnmente para calentar agua en viviendas
unifamiliares está compuesto por los colectores
solares, el tanque de almacenamiento y las cañerías
de distribución del ²uido, además de una Fuente
energética auxiliar.
En este trabajo se calcula en primer lugar el
aporte solar y la efciencia térmica mensual y anual
de sistemas solares combinados con electricidad y
gas licuado como energías auxiliares. Luego para
cada sistema se determinan la energía solar térmica
generada y la emisión de gases evitadas al operar con
energía solar. A los valores originados por el reem-
plazo de electricidad y gas licuado, se descuentan la
energía consumida y la emisión provocada por los re-
querimientos propios de la instalación del sistema de
captación solar. Finalmente, se estiman los periodos
de amortización energética necesarios para recuperar
la energía consumida y ambiental que generan los
gases emitidos por cada instalación.
Instalaciones y aporte solar a la demanda térmica
El ²uido circula por convección natural entre los
colectores y el tanque acumulador. Los colectores
solares están posicionados en Santa Fe (Argentina),
con 30 º de inclinación al norte geográfco (
Fig.
1
).
El consumo de agua doméstico se fja en 240 L
diarios a 45 ºC, siendo la temperatura del agua fría
18 ºC durante todo el año. Como se observa en el
cuadro I
, son cuatro las instalaciones estudiadas,
dos solar-electricidad (SE) y dos solar-gas licuado
(SGL), con colectores de placa plana (PP) y de tubos
evacuados (TE). Se estima que las instalaciones
pueden satisfacer la demanda de una familia de cinco
personas y sus características técnicas responden a la
Tanque acumulador
Colectores solares
Agua fría
Agua caliente
Fuente
auxiliar
Fig. 1.
Esquema de la instalación combinada para calentamiento
de agua
SUSTENTABILIDAD DE INSTALACIONES SOLARES
317
oferta comercial existente y a las recomendaciones
realizadas por los vendedores a los usuarios.
Dos de las instalaciones combinadas para el ca-
lentamiento poseen dos colectores solares de placa
plana de 1.8 m
2
cada uno, el tanque acumulador es
de 240 L y su vida útil de 20 años. En las otras, el
colector solar es de tubos evacuados de 2.8 m
2
, posee
un tanque de 200 L y 15 años de utilidad.
Cada una de las instalaciones se caracteriza por el
volumen de agua en el tanque (T), el área de colección
(A), la inclinación de los colectores respecto al plano
horizontal (B) y los parámetros propios de éstos.
Dichos parámetros (F
R
E y F
R
U
C
) están asociados a
E, la efciencia óptica, F
R
el factor de remoción del
calor y U
C
el coefciente total de pérdidas de calor,
los que se determinan conforme a las normas vigentes
(ANSI/ASHRAE 93 2010).
En los colectores solares planos adoptados la radia-
ción se transmite por una cubierta de vidrio, es recibida
y absorbida por una placa de acero inoxidable que la
trans±orma en energía térmica. Esta energía se transfe
-
re por conducción en la placa y se incorpora al ²uido.
El agua circula por canales conformados entre la placa
superior e inferior, aumentando su temperatura. Entre
la placa y la cubierta hay una cámara de aire. Se utiliza
un material aislante en el fondo y en los laterales. Se
coloca una caja de chapa galvanizada que contiene
todos los elementos que conforman el colector.
En los otros colectores solares el agua circula
por un conjunto de tubos evacuados dispuestos en
paralelo. Se propone para cada tubo dos conductos
concéntricos de vidrio borosilicato separados por
una cámara al vacío. La radiación se transmite en el
tubo exterior y se absorbe en el tubo interior, el que
posee un recubrimiento superfcial especialmente
desarrollado para tal e±ecto. El ²uido circula en U,
entrando y saliendo del tanque acumulador por el
extremo superior del tubo interno. Ambos tubos
están cerrados por fusión en el extremo inferior y el
colector tiene además una chapa re²ectora debajo del
conjunto de tubos de vidrio evacuados.
Para calcular la radiación solar diaria promedio
recibida por los colectores se necesitan conocer los
valores de los componentes de la luz directa y difusa
de la radiación en el plano horizontal. La radiación
se contabiliza como energía por unidad de tiempo y
por unidad de área de colección. La radiación solar
global promedio diario mensual (H), es la suma de
la radiación directa del sol (H
D
) y la radiación difusa
del cielo (H
d
):
H
= H
D
+ H
d
(1)
Las componentes de la luz directa y difusa de la
radiación solar horizontal en cada mes del año se
obtienen para la ciudad de Santa Fe de la base de
datos del Centro de Datos de Ciencias Atmosféricas
(NASA 2014). La radiación solar total que reciben los
colectores (H
T
) es la suma de la radiación directa, la
radiación difusa recibida desde el cielo y la radiación
di±usa re²ejada por el suelo.
La radiación solar promedio diaria que incide so-
bre los colectores se obtiene por el modelo propuesto
por Liu-Jordan y extendido por Klein. Luego, H
T
es
el producto de la radiación global horizontal multi-
plicada por un factor R, que indica la variación de la
radiación sobre los colectores respecto a la que incide
en el plano horizontal (Du±fe y Beckman 2013):
H
T
= R H
(2)
El
cuadro II
presenta los valores de la radiación
solar global promedio mensual en plano horizontal y
los resultantes del cálculo sobre los colectores solares
posicionados a 30º al norte geográfco.
La demanda de energia térmica mensual (Q) en
las instalaciones se calcula con el volumen de agua
consumido (V), la densidad del agua (p), el calor es-
pecífco del agua (c), la temperatura del agua caliente
(T
c
) y la temperatura del agua fría (T
f
):
Q = V p c (T
c
– T
f
)
(3)
El aporte de la energía solar a la demanda en las
instalaciones combinadas se determina con el méto-
do de la carta F (Du±fe y Beckman 2013). En este
método la fracción de la energía solar aportada en
cada mes (f), se determina con:
CUADRO I.
INSTALACIONES COMBINADAS PARA
CALENTAMIENTO DE AGUA
Instalación
T
(L)
A
(m
2
)
B
(º)
F
R
E
(-)
F
R
U
C
(W/m
2
ºC)
SE-PP
240
3.6
30
0.7
6.0
SE-TE
200
2.8
30
0.7
2.0
SGL-PP
240
3.6
30
0.7
6.0
SGL-TE
200
2.8
30
0.7
2.0
SE-PP (solar-electricidad, colectores de placa plana) SE-TE (solar-
electricidad, colector de tubos evacuados) SGL-PP (solar-gas
licuado, colectores de placa plana) SGL-TE (solar-gas licuado,
colector de tubos evacuados), T: volumen de agua en el tanque
de almacenamiento, A: área total de captación solar, B: ángulo de
inclinación de los colectores solares, F
R
E: producto del factor
de remoción del calor por la efciencia óptica de los colectores
solares, F
R
U
c
: producto del ±actor de remoción por el coefciente
total de pérdidas de calor de los colectores solares
E. Albizzati
318
f = 1.029 Y–0.065 X–0.245 Y
2
+0.0018 X
2
+0.0215 Y
3
(4)
En la expresión (4), X relaciona la cantidad de
radiación solar incidente sobre los colectores con
la demanda térmica, mientras que Y es el cociente
entre las pérdidas de energía del sistema y la citada
demanda. Estos parámetros se corrigen considerando
los valores de la temperatura del agua caliente, el
volumen de agua en el tanque, la
efciencia óptica
y el factor de remoción de calor del colector solar.
La fracción anual aportada por la energía solar
a la demanda térmica (F) resulta de una sumatoria
aplicada para los doce meses del año:
F =
Σ
(f Q)
i
/
Σ
Q
i
(5)
A su vez,
la efciencia térmica anual de cada insta
-
lación solar (E
t
) se calcula como el cociente entre la
energía solar aportada y la radiación total solar sobre
los colectores en los “n” días de cada mes:
E
t
=
Σ
(f Q)
i
/ A
Σ (H
T
n)
i
(6)
Los resultados obtenidos mediante la aplicación
del método de la carta F se muestran en el
cuadro III
,
mientras que en el
cuadro IV
se visualizan los apor-
tes solares y las efciencias térmicas anuales que se
han analizado para las instalaciones. Las diferencias
que se verifcan en dichos cuadros se deben a que los
colectores de placa plana tienen menor aporte solar y
efciencia térmica que los de tubos evacuados en los
meses más Fríos, debido a que es mayor el coefciente
de pérdidas de calor.
Análisis de ciclo de vida en las instalaciones
En el ACV de las instalaciones solares se deben
contemplar aquellas actividades que se llevan a
cabo y que tienen la relevancia sufciente (
Fig
.
2
).
El inventario del ciclo de vida o relevamiento de
las entradas y salidas sienta las bases para evaluar
CUADRO II.
RADIACIÓN SOLAR GLOBAL HORIZONTAL Y TOTAL MENSUAL SOBRE LOS COLECTORES
SOLARES
MES
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
H
(MJ/m
2
)
24.70
21.82
18.14
13.61
10.84
8.89
10.15
13.39
17.50
20.30
23.76
25.02
H
T
(MJ/m
2
)
22.11
21.05
19.49
16.66
15.26
13.23
14.92
17.70
19.99
20.25
21.68
21.97
H (radiación solar global sobre plano horizontal) H
T
(radiación solar total sobre plano inclinado de captación)
CUADRO III.
APLICACIÓN MES A MES DEL MÉTODO DE LA CARTA F EN LAS INSTALACIONES
Instalación
Mes
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
SE-PP
SGL-PP
X
4.78
4.84
5.08
5.66
6.15
6.54
6.69
6.28
5.94
5.44
5.13
4.65
Y
2.05
1.96
1.81
1.55
1.42
1.23
1.34
1.64
1.86
1.88
2.01
2.04
f
1.00
0.96
0.90
0.78
0.70
0.59
0.66
0.79
0.88
0.91
0.97
0.99
SE-TE
SGL-TE
X
1.18
1.23
1.29
1.44
1.57
1.67
1.70
1.60
1.51
1.39
1.31
1.22
Y
1.60
1.52
1.41
1.20
1.10
0.96
1.08
1.28
1.44
1.46
1.57
1.59
f
1.00
1.00
0.94
0.83
0.77
0.68
0.75
0.86
0.95
0.96
1.00
1.00
SE-PP (solar-electricidad, colectores de placa plana) SE-TE (solar-electricidad, colector de tubos evacuados)
SGL-PP (solar-gas licuado, colectores de placa plana) SGL-TE (solar-gas licuado, colector de tubos evacuados),
X: parámetro relacionado con las pérdidas térmicas de los colectores solares, Y: parámetro que depende de la energía
solar absorbida de los colectores solares, f: fracción mensual de la demanda térmica que es cubierta con energía solar
CUADRO IV.
RADIACIÓN INCIDENTE, APORTE SOLAR Y
EFICIENCIA TÉRMICA ANUAL DE LAS INSTALACIONES
Instalación
Radiación
anual (MJ)
Aporte
solar
(%)
Efciencia
térmica
(%)
SE-PP
SGL-PP
24 549.7
84.3
34.0
SE-TE
SGL-TE
19 094.2
89.3
46.3
SE-PP (solar-electricidad, colectores de placa plana)
SE-TE (solar-electricidad, colector de tubos evacuados) SGL-PP
(solar-gas licuado, colectores de placa plana) SGL-TE (solar-gas
licuado, colector de tubos evacuados)
SUSTENTABILIDAD DE INSTALACIONES SOLARES
319
los impactos ambientales. En dicho inventario se
utilizan dos categorías: el consumo energético (la
energía consumida en la obtención de las materias
primas, fabricación, distribución, uso y Fn de vida del
producto) y el cambio climático (medida de la tem-
peratura que muestra en promedio un aumento en la
temperatura de la atmósfera terrestre y de los océanos
en las últimas décadas). En el calentamiento global
se considera el impacto de todos los gases de efecto
invernadero en equivalentes de dióxido de carbono.
En cada instalación combinada de calentamiento
solar de agua la generación de energía térmica y la
mitigación de la emisión de gases se calculan com-
parando cada instalación con otra que usa solamente
electricidad o gas licuado. Los valores brutos de la
generación térmica y de la mitigación que se deben
al aporte solar durante el funcionamiento de la ins-
talación combinada se obtienen con:
E
b
=
Σ
Q
i
N F c
a
(7)
En la ecuación anterior,
ΣQ
i
es la demanda térmica
anual, N son los años de vida útil de la instalación y
F es la fracción de la demanda térmica cubierta con
energía solar. Respecto a c
a
, al calcular la energía
térmica generada vale uno y es diferente al determinar
la mitigación de la emisión según la fuente de energía
auxiliar utilizada.
Para calcular c
a
se emplea información de la emi-
siones debidas a los combustibles fósiles y que está
relacionada con el tipo de generación eléctrica en
Argentina (Consejo Mundial de Energía 2004). Las
emisiones de gases en la conversión a energía térmi-
ca son 0.125 kg CO
2
eq /MJ (0.450 kg CO
2
eq /kW h)
y 0.083 kg CO
2
eq /MJ (0.299 kg CO
2
eq /kW h)
para la energía eléctrica y el gas licuado respecti-
vamente. Estos valores se corrigen considerando
una eFciencia en la conversión del 95 % cuando se
consume electricidad y del 85 % si el combustible
es gas licuado.
Para determinar luego la generación de energía
térmica y la mitigación de emisiones netas en cada
instalación combinada se restan a los valores brutos,
los efectos debidos a los consumos energéticos y a
las emisiones de gases en el ciclo de vida correspon-
dientes a la instalación solar y a su funcionamiento
(Albizzati 2012b). Entonces dichos valores netos se
calculan con:
E
n
= E
b
- e
i
A
(8)
En cada situación, e
i
representa la energía con-
sumida o los gases emitidos por unidad de área de
colección. En su cálculo se suman las contribucio-
nes asociadas con los colectores solares (e
c
), con el
tanque de almacenamiento (e
t
), con otros materiales
como cañerías, aislantes, soportes, pinturas, sellado-
res y uniones (e
m
) y con actividades complementarias
como transporte, fabricación, montaje y manteni-
miento (e
f
) del dispositivo solar:
e
i
= e
c
+ e
t
+ e
m
+ e
f
(9)
Para encontrar el valor de e
i
de la instalación
solar se usan datos de la energía consumida y de
las emisiones de los materiales involucrados en
cada una de ellas (Alcorn 2003, Hammond y Jones
2011).
Finalmente, como se sustituyen fuentes tradicio-
nales por energía solar, es apropiado calcular los pe-
riodos de amortización energética y ambiental de las
instalaciones. El periodo de amortización energética
puede deFnirse como el tiempo de funcionamiento
necesario para recuperar la energía consumida en
el ciclo de vida de cada instalación, mientras que el
periodo de amortización ambiental se considera en
forma semejante, pero incorporando la cantidad de
gases de efecto invernadero.
Los periodos de amortización energética y am-
biental se determinan en meses con la expresión:
P
a
= 12 e
i
A /
Σ
Q
i
c
a
(2F-1)
(10)
Resultados obtenidos y discusión
Los valores brutos de la generación de energía y
la mitigación de emisiones se deben al aporte solar
durante la operación de cada sistema y al obtener los
valores netos, éstos se descuentan a los valores brutos
calculados, propios a cada una de las instalaciones
de captación solar adoptadas.
Para determinar los valores que se muestran en
el
cuadro V
, se siguen los métodos aplicados en
un trabajo anterior (Albizzati 2012b). Al calcular
el consumo y las emisiones de las instalaciones que
usan colectores planos, pinturas, recubrimientos,
Materiales
energía
Emisiones
residuos
Materias primas / Insumos
Transporte / Fabricación
Distribución / Montaje
Utilización / Mantenimiento
Remoción / Disposición final
Fig. 2.
Esquema del ciclo de vida de la instalación solar
E. Albizzati
320
selladores y uniones, se obtiene que representan el
10 % de la suma de los debidos a los colectores y el
tanque. Adicionalmente, para los mismos sistemas,
las actividades complementarias representan un 10 %
del consumo y las emisiones de todos los elementos
que se tienen en cuenta al valorar las instalaciones.
En lo relativo al colector de tubos evacuados, ambos
porcentajes aumentan al 15 % en lo que respecta a
los colectores solares y los restantes se mantienen
igual al caso anterior.
Se observa también en el
cuadro V
que en las
instalaciones SE-PP y SGL-PP los colectores repre-
sentan el 48.2 % del consumo de energía y el 50.9 %
de la emisión de gases, mientras que 7358.8 MJ es
el consumo y 674.4 kg CO
2
eq es la emisión. Lo
anterior al considerar los colectores solares, el tan-
que de almacenamiento, los materiales varios y las
actividades complementarias. En los equipos con
tubos evacuados SE-TE y SGL-TE, el colector cubre
el 41.0 % del consumo y el 38.0 % de la emisión,
el consumo total es 6162.2 MJ y la emisión total es
473.5 kg CO
2
eq.
Los cálculos realizados de la generación y la mi-
tigación netas se ven en el
cuadro VI
. Resulta que la
máxima energía generada al operar con energía solar
es 189 161.6 MJ (SGL-PP) y la mitigación máxima
es 21 375.2 kg C02 eq (SE-PP). Cuando se comparan
dos instalaciones que usan los mismos colectores
se logra una mayor generación de energía térmica
con gas licuado, es decir que es mayor el benefcio
energético. Sin embargo es superior el benefcio
ambiental con electricidad, ya que se obtiene una
mayor mitigación.
Como se observa en el
cuadro VII
, las energías
generadas por año y por m
2
de captación solar son
mayores al usar gas licuado y el colector evacuado
(SGL-TE), pero este tipo de colector maximiza las
mitigaciones por año y por m
2
si se utiliza electricidad
como fuente energética auxiliar (SE-TE).
Los periodos de amortización energética resultan-
tes están entre 8.1 (SGL-TE) y 12.3 (SE-PP) meses y
los de amortización ambiental entre 5.5 (SE-TE) y 12.1
(SGL-PP) meses (
Fig.
3
). El cociente entre los perio-
dos de amortización ambiental y energética es menor
que 1.0, para las instalaciones SE-PP (0.732), SE-TE
(0.611) y SGL-TE (0.914). En cambio cuando se usan
colectores solares planos y gas licuado (SGL-PP)
dicho cociente es 1.100.
CUADRO VII.
ENERGÍA TÉRMICA GENERADA Y MI-
TIGACIÓN DE EMISIONES NETAS POR
AÑO Y POR METRO CUADRADO DE
COLECTOR
Instalación
Generación
Mitigación
MJ/año
MJ/m
2
kg CO
2
eq/año
kg CO
2
eq/m
2
SE-PP
8426.8
46815.8
1068.8
5937.6
SE-TE
8901.3
47685.8
1135.8
6084.5
SGL-PP
9458.1
52544.9
784.8
4359.9
SGL-TE
9993.3
53535.3
835.1
4473.7
SE-PP (solar-electricidad, colectores de placa plana) SE-TE
(solar-electricidad, colector de tubos evacuados) SGL-PP
(solar-gas licuado, colectores de placa plana) SGL-TE (solar-gas
licuado, colector de tubos evacuados)
CUADRO VI.
ENERGÍA TÉRMICA GENERADA Y MITI-
GACIÓN DE EMISIONES NETAS TOTALES
EN LA VIDA ÚTIL
Instalación
Generación
MJ
Mitigación
kg CO
2
eq
Mitigación/
generación
kg CO
2
eq/MJ
SE-PP
16 8536.8
21 375.2
0.127
SE-TE
13 3520.2
17 036.5
0.128
SGL-PP
18 9161.6
15 695.8
0.083
SGL-TE
14 9898.8
12 526.3
0.084
SE-PP (solar-electricidad, colectores de placa plana) SE-TE
(solar-electricidad, colector de tubos evacuados) SGL-PP
(solar-gas licuado, colectores de placa plana) SGL-TE (solar-gas
licuado, colector de tubos evacuados)
CUADRO V.
CONSUMO Y EMISIONES PROPIOS DE LAS INSTALACIONES DE CAPTACIÓN SOLAR
Materiales e insumos
Colectores placa plana
Colector tubos evacuados
Consumo
Emisión
Consumo
Emisión
MJ
%
kg CO
2
eq
%
MJ
%
kg CO
2
eq
%
Colectores solares
3547.7
48.2
343.0
50.9
2525.7
41.0
179.9
38.0
Tanque de almacenamiento
1117.4
15.2
110.8
16.4
931.3
15.1
92.3
19.5
Materiales varios
2024.7
27.5
159.3
23.6
2030.3
32.9
150.1
31.7
Actividades complementarias
669.0
9.1
61.3
9.1
675.0
11.0
51.2
10.8
Total
7358.8
100
674.4
100
6162.2
100
473.5
100
SUSTENTABILIDAD DE INSTALACIONES SOLARES
321
Fig. 3.
Periodos de amortización energética (
) y ambiental (
)
de las instalaciones. SE-PP (solar-electricidad, colectores de
placa plana) SE-TE (solar-electricidad, colector de tubos
evacuados) SGL-PP (solar-gas licuado, colectores de
placa plana) SGL-TE (solar-gas licuado, colector de
tubos evacuados)
SE-PP
14
12
10
8
6
4
2
0
SE-TE
SGL-PP
SGL-TE
Instalación combinada
Amortización (meses)
CONCLUSIONES
Con el ACV se han calculado indicadores para
establecer el impacto energético y ambiental del
empleo de energía solar en instalaciones de calen-
tamiento de agua que utilizan electricidad y gas
licuado como fuente auxiliar. En los sistemas de
captación solar con colectores planos los requeri-
mientos propios de éstos representan el 48.2 % del
consumo de energía y el 50.9 % de las emisiones de
gases. Mientras que en los equipos con el colector de
tubos evacuados los respectivos porcentajes bajan
a 41.0 % y 38.0 %.
La máxima energía total neta generada se alcanza
en instalaciones con colectores planos y gas licuado
(SGL-PP), pero la mitigación neta de las emisiones
de gases es máxima con los mismos colectores com-
binados con electricidad (SE-PP). Debe tomarse en
cuenta que, para la electricidad, aquí se han consi-
derado las fuentes de energía primaria de Argentina
y que si fueran diferentes, éstas podrían cambiar el
impacto ambiental asociado con dicha fuente auxiliar.
Como resultado de los cálculos se pudo verif
-
car que en instalaciones que tienen el mismo tipo
de colector solar, siempre es mayor la generación
de energía neta funcionando con gas licuado, pero
es mayor la mitigación neta con energía eléctrica
auxiliar. La utilización de gas licuado y el colector
evacuado (SGL-TE) maximiza las energías gene-
radas por año y por m
2
. Con el mismo colector son
máximas las mitigaciones por año y por m
2
cuando
se emplea electricidad (SE-TE). Los periodos de
amortización energética mínimo y máximo son 8.1
(SGL-TE) y 12.3 (SE-PP) meses, mientras que los
correspondientes a la amortización ambiental son 5.5
(SE-TE) y 12.1 (SGL-PP) meses.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece a la Facultad de Ingeniería Química
de la Universidad Nacional del Litoral la colabora-
ción recibida para la realización de este trabajo.
REFERENCIAS
Albizzati E. (2012a). Energía solar térmica: principios
básicos y aplicaciones tecnológicas. Centro de Publi-
caciones de la Universidad Nacional del Litoral, Santa
Fe, Argentina, 150 pp.
Albizzati E. (2012b). Cálculos de la energía generada y la
mitigación de emisiones de gases en instalaciones para
calentamiento solar de agua. Energías Renovables y
Medio Ambiente 31, 9-16.
Alcorn A. (2003). Embodied energy and CO
2
coeFfcients
for NZ buildings materials. Centre for Building Per-
formance Research. Victoria University of Wellington,
Nueva Zelanda, 31 pp.
Ardente F., Beccali G., Cellura M. y Lo Brano V. (2005).
Life cycle assessment of a solar thermal collector.
Renew. Energ. 30, 1031-1054.
DOI: 10.1016/j.renene.2004.09.009.
ANSI/ASHRAE 93 (2010). Methods oF testing to de
-
termine the thermal performance of solar collectors.
American National Standards Institute /American
Society oF Heating, ReFrigerating and Air Conditioning
Engineers, Inc, Atlanta, EUA, 42 pp.
Consejo Mundial de Energía (2004). Comparison of energy
systems using life cycle assessment [en línea]. http://
www.worldenergy.org/wp-content/uploads/2012/10/
PUB_Comparison_of_Energy_Systens_using_life-
cycle_2004_WEC.pdf.
Consoli F., Allen D., Boustead I., Fava J., Franklin W.,
Jensen A. de Oude N., Parrish R., Perriman R., Postle-
thwaite D., Quay B., Séguin J. y Vigon B. (1993).
Guidelines for life-cycle assessment: a ‘code of prac-
tice’ 1ra. ed. SETAC Press (Society of Environmental
Toxicology and Chemistry). Pensacola, EUA, 73 pp.
DuFfe J. A. y Beckman W. A. (2013). Solar engineering oF
thermal processes. 4ta. ed. J. Wiley and Sons, Hoboken,
EUA, 910 pp.
Greening B. y Azapagic A. (2014) Domestic solar ther-
mal water heating: a sustainable option for the UK ?.
Renew. Energ. 63, 23-36.
DOI: 10.1016/j.renene.2013.07.048.
Hammond G. y Jones C. (2011). Embodied carbon. The
inventory of carbon and energy (ICE). University of
Bath-BSRIA, Berkshire, Reino Unido, 136 pp.
Hang Y., Qu M. y Zhao ±. (2012). Economic and environ
-
mental life cycle analysis of solar hot water systems
E. Albizzati
322
in the United States. Energ. Buildings 45, 181-188.
DOI: 10.1016/j.enbuild.2011.10.057.
Ihobe (2009). Análisis de ciclo de vida y huella de car-
bono: dos maneras de medir el impacto ambiental de
un producto. Sociedad Pública de Gestión Ambiental,
Gobierno Vasco, España, 37 pp.
IPCC (2013). Cambio climático 2013: Bases físicas. Re-
sumen para responsables de políticas. Contribución del
grupo de trabajo I al quinto informe de evaluación del
grupo intergubernamental de expertos sobre el cam-
bio climático. Grupo Intergubernamental de Expertos
sobre el Cambio Climático, 34 pp.
Kalogirou S. (2009a). Solar energy engineering: processes
and systems. Elsevier/Academic Press, Burlington,
EUA, 760 pp.
Kalogirou S. (2009b). Thermal performance, economic
and environmental life cycle analysis of thermosiphon
solar water heaters. Sol. Energy 83, 39-48.
DOI: 10.1016/j.solener.2008.06.005.
Koroneos C. J. y Nanaki E. A. (2012) Life cycle environ-
mental impact assessment of a solar water heater. J.
Clean. Prod. 37, 154-161.
DOI: 10.1016/j.jclepro.2012.07.001.
Lamnatou C., Notton G., Chemisana D. y Cristofari C.
(2014). Life cycle analysis of a building-integrated
solar thermal collector, based on embodied energy and
embodied carbon methodologies. Energ. Buildings 4
378-387. DOI: 10.1016/j.enbuild.2014.08.011.
NASA (2014). Surface meteorology and solar energy. A
renewable energy resource web site. Atmospheric Sci-
ence Data Center [en línea]. https://eosweb.larc.nasa.
gov/cgi-bin/sse/grid.cgi.
OMM (2012). Declaración de la Organización Meteo-
rológica Mundial sobre el estado del clima mundial
en 2011, OMM-No. 1085, 24 pp.
REN 21 (2015). Renewables 2015 global status report.
Annual Reporting on Renewables: Ten years of excel-
lence, REN 21, 251 pp.
Rey-Martínez F. J., Velasco-Gómez E., Martín-Gil J., Na-
vas Gracia L. M., Hernández Navarro S. (2008). Life
cycle analysis of a thermal solar installation at a rural
house in Valladolid (Spain). Environ. Eng. Sci. 25, 5,
713-724. DOI: 10.1089/ees.2007.0115.
logo_pie_uaemex.mx