Aplicaciones de la Energía Solar Térmica: Un Recorrido Histórico y Perspectivas Futuras

1. Aplicaciones de la Energía Solar Térmica

1.1. Instalaciones Solares Térmicas a Baja Temperatura

Son sistemas en los que el fluido de trabajo no suele sobrepasar los 100ºC. Su campo de desarrollo se encuentra fundamentalmente en la edificación, con las siguientes aplicaciones:

• Suministro de agua caliente sanitaria (ACS).
• Climatización de piscinas cubiertas y al aire libre.
• Apoyo a la calefacción.
• Climatización solar.

La principal aplicación solar térmica en cuanto a número de instalaciones y superficie de captadores instalados se destina al suministro de ACS. Esta tecnología tiene más de un siglo de antigüedad y, tras altibajos, en los últimos años vive un período de gran expansión, ligada a la promoción pública para la reducción del consumo de combustibles fósiles.

La legislación española actual (CTE de marzo de 2006) obliga a cubrir entre el 30% y el 70% de la demanda energética en ACS mediante la aportación del sistema solar, según la zona climática y el volumen de consumo. El diseño de estas instalaciones debe adaptarse al del propio edificio, siendo más sencillo si se incluye en el proyecto arquitectónico desde un principio. Dicha normativa también obliga a cubrir con calor solar entre un 30% y un 70% de las necesidades energéticas en la climatización de piscinas cubiertas. La superficie de captadores a instalar depende del tamaño de la piscina y de las condiciones térmicas y de humedad. En ambos casos, la demanda calorífica no cubierta por el sistema solar se suplementa con sistemas convencionales (gas, gasóleo o eléctrico).

Aunque no es obligatorio, también se pueden instalar sistemas solares térmicos para la climatización de piscinas al aire libre. En estos casos, la legislación no permite el uso de fuentes convencionales de energía, por lo que se recurre al calor solar para extender el uso del recinto, especialmente en lugares con temperaturas nocturnas bajas.

Otra aplicación de interés es el complemento del calor de calefacción con el proveniente del sistema solar. Estas instalaciones son secundarias a las de suministro de ACS, destinando el excedente a la calefacción una vez cubierta la demanda de agua de consumo.

Los perfiles de demanda energética de cada aplicación son diferentes. El consumo de ACS es relativamente constante a lo largo del año en edificios de ocupación anual. La demanda de climatización de piscinas cubiertas cubre casi todos los meses excepto los de verano. En piscinas al aire libre, la demanda en España se extiende de abril a octubre. La calefacción es un consumo invernal, por lo que la aportación solar es reducida.

La generación de calor solar es máxima en verano y mínima en invierno (relación aproximada de 3 a 1). Una aplicación novedosa con futuro prometedor es la climatización solar (calentamiento y refrigeración). Esta reduce el consumo eléctrico al aprovechar los excedentes térmicos estivales. El gasto eléctrico en climatización es muy elevado, especialmente en el sur de Europa.

La refrigeración presenta un perfil de demanda similar al de incidencia de radiación. Existen dos tipos de sistemas: en circuito cerrado (máquinas de absorción o adsorción) y en circuito abierto (refrigeración por evaporación). En sistemas cerrados, las temperaturas de captación pueden ser de 60-100ºC, incluso 130ºC. En sistemas abiertos, las temperaturas son inferiores (45-90ºC). Actualmente, esta tecnología no es rentable debido al tamaño de las máquinas, por lo que se instala principalmente en edificios públicos.

2.2. Aplicaciones Solares Térmicas a Media y Alta Temperatura

La aplicación de alta temperatura con mayor desarrollo, aunque aún en etapas iniciales, es la generación eléctrica. Las centrales solares termoeléctricas funcionan de forma similar a las centrales térmicas convencionales: producen calor para evaporar agua, el vapor mueve una turbina que acciona un alternador, generando electricidad. La diferencia radica en la generación de calor: por combustión de combustible fósil en centrales convencionales o por concentración de rayos solares en un punto en sistemas termoeléctricos. Se puede incluir un almacenamiento térmico para superar la intermitencia del recurso solar.

Otras aplicaciones de media temperatura son la descontaminación de aguas residuales, la desalación y la producción de calor para procesos industriales.

3. Evolución Histórica del Aprovechamiento Solar Térmico

Calentar agua al sol es una práctica ancestral. Sin embargo, los dispositivos diseñados para la captación solar y transferencia al agua tienen más de un siglo de antigüedad. El inicio de la tecnología solar térmica se sitúa a finales del siglo XIX. Los primeros calentadores solares eran rudimentarios, pero su funcionamiento básico era similar al actual: un depósito metálico pintado de negro sobre una superficie oscura, con circulación de agua fría para calentarla. Uno de los problemas era la rápida pérdida de calor.

El primer captador solar térmico comercial (Climax Solar, 1891) incorporó una cubierta de cristal para reducir las pérdidas de calor, permitiendo el almacenamiento. Tras el éxito del Climax Solar, se patentaron varios desarrollos con mejoras. El problema seguía siendo el almacenamiento. En 1909, WJ Bailey patentó el sistema Day & Night, que independiza la captación del almacenamiento, permitiendo una mayor temperatura en el captador y un depósito aislado en el interior de la vivienda.

La historia de la energía solar térmica ha sido cíclica, ligada a la situación de otros combustibles. En los años 20-30, la industria del gas redujo la instalación de captadores térmicos en California, pero el mercado se trasladó a Florida. La entrada de aplicaciones eléctricas frenó el sector, que resurgió con las crisis del petróleo de 1973 y 1979.

La energía solar térmica ha tenido una importante presencia en países mediterráneos, con tasas de implantación elevadas en Israel y Grecia. Alemania, a pesar de sus condiciones climáticas, ha experimentado un gran crecimiento en instalaciones. En España, el desarrollo ha sido escaso hasta hace pocos años, cuando se ha producido un despegue en diversas aplicaciones.