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Introducción
En la actualidad, el consumo de energía en el globo está en aumento y se proyecta que esta tendencia continúe en los próximos años. Dentro de la demanda global de energía actual, los combustibles fósiles aportan cerca del 85% de la energía primaria consumida (6) y seguirán siendo la principal fuente de energía (13). Ante esta perspectiva, y dentro de un marco de cambio climático mundial, las energías renovables deben tomar un mayor peso como energía limpia, con bajos o incluso nulos niveles de emisiones y con la característica de la sostenibilidad en el tiempo.
Aunque desde el siglo XVIII, el desarrollo tecnológico apuntaba a la utilización del sol para fines productivos, fue hasta en el siglo XX que se desarrollaron las tecnologías de uso de la energía del sol para varios fines, entre los que destacan el calentamiento de fluidos, la producción de vapor y la generación de corriente eléctrica (5).
En el caso de Costa Rica, la producción energética está centrada fundamentalmente en tres fuentes renovables: hidroeléctrica (76%), eólica (4%) y geotérmica (12%) (9). Sin embargo, Costa Rica depende altamente de los combustibles fósiles, principalmente el petróleo, puesto que suponen un 52% de la energía consumida en el país, principalmente dentro del sector transporte (9). En cuanto a la energía solar, Costa Rica presenta un potencial cuantificado en aproximadamente 10 000 MW, pero su grado de desarrollo es muy bajo.
En Costa Rica, como en el resto del mundo, los sectores agrícola y agroindustrial son responsables de alrededor del 12% de las emisiones de gases de efecto invernadero, relacionadas principalmente con las fermentaciones entéricas, generadoras de metano, y la producción de estiércol (8). En el caso de Costa Rica, el sector agropecuario es de gran importancia económica, especialmente en el cantón de San Carlos, donde se encuentran el 55% de los asociados de la Cooperativa de Productores de Leche Dos Pinos R.L., quienes producen más del 50% del volumen nacional. Es primordial lograr una mejora en el uso de la energía tanto en el sector agropecuario como en el agroindustrial para reducir los niveles de emisión de gases de efecto invernadero y el impacto ambiental de las actividades de estos dos sectores.
La radiación solar que se recibe en la superficie terrestre puede ser captada y aprovechada mediante diferentes sistemas: captadores solares térmicos o módulos fotovoltaicos, principalmente, aunque hay otros sistemas como secadores solares pasivos, cuya utilización no se ha evaluado en este trabajo, pero que ha sido implementada y evaluada por el grupo de investigación del programa de Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo (DOCINADE) (5).
Los módulos fotovoltaicos están formados por celdas organizadas en paneles en las que se genera electricidad a partir de la radiación solar. Para ello, se deben mantener unas condiciones estandarizadas de radiación (1000 W/m2 ) y de temperatura (25º C). Los paneles fotovoltaicos pueden ser monocristalinos (con secciones de un único cristal de silicio), policristalinos (formados por pequeñas partículas cristalizadas) o amorfos (con el silicio no cristalizado). Su eficiencia es mayor cuanto mayores son los cristales, aunque también aumenta su peso, grosor y costo. El rendimiento de los paneles monocristalinos puede alcanzar el 20%, mientras que en los paneles amorfos no llega al 10%, aunque su costo es mucho menor (5) y (2).
Por su parte, los colectores solares térmicos normalmente se emplean para uso doméstico y pueden ser de circuito abierto o cerrado. En los sistemas de circuito abierto, el agua circula a través de los propios colectores solares, mientras que en los sistemas cerrados, el agua se almacena en un depósito para su posterior uso, después de pasar por los colectores. El sistema cerrado tiene mayor eficiencia y supone un mayor ahorro energético, pero presenta problemas en zonas con bajas temperaturas. En los equipos de circuito cerrado se distinguen dos tipos de flujo: termosifónico, en el que el agua circula únicamente por diferencias de densidad, y forzado, en el que se emplean bombas para la circulación del agua (7), (12) y (5). En los sistemas solares térmicos se recomienda incorporar un sistema auxiliar de calentamiento (gas o resistencias eléctricas, por ejemplo) para evitar problemas de abastecimiento de agua caliente debido a la variación de la radiación solar (11) y (5).
Tomando en cuenta las posibilidades anteriormente mencionadas, con las que cuenta el sector de la energía solar y su bajo grado de desarrollo, se plantea la alternativa de emplear esa fuente de energía en diferentes procesos productivos del sector agropecuario, considerando el potencial que presenta la región Huetar Norte de Costa Rica para ello. De esta forma, se abriría un camino que pueda favorecer la producción limpia, reducir los niveles de emisiones y mejorar las condiciones de trabajo de los pequeños productores agropecuarios.
Objetivo general
El objetivo general de este trabajo fue evaluar la eficiencia de los sistemas solares térmicos o fotovoltaicos instalados en la región Huetar Norte por medio del análisis de la generación de energía, así como horro energético, el económico y el impacto ambiental (descenso en las emisiones de dióxido de carbono) relacionados con el uso de estos equipos.
Metodología
La ubicación del proyecto respondió a la necesidad del uso de los sistemas solares en la región Huetar Norte de Costa Rica, dado el consumo de agua caliente (160 y 215 L/día) para las operaciones de esterilización y pasteurización a 70 °C, en las plantas procesadoras de leche. Durante el tiempo de ejecución de este trabajo se evaluó:
La eficiencia de producción eléctrica de un sistema fotovoltaico compuesto por ocho paneles de 2 kW de potencia con 8 conversores, el cual se instaló en la lechería del Campus Tecnológico Local San Carlos, del Instituto Tecnológico de Costa Rica (ITCRSSC).
La eficiencia de calentamiento de agua de un sistema solar termosifónico híbrido de ocho colectores, con sistema auxiliar eléctrico también instalado en la lechería del ITCR-SSC.
La eficiencia de calentamiento de agua de dos sistemas térmicos forzados híbridos, con sistema auxiliar de gas LP compuesto por colectores solares planos de calentamiento de agua y un tanque acumulador de agua con capacidad para 302,4 L. Este tanque cuenta con termopares conectados a un sistema informático para registrar los datos de captación de energía y el uso del agua caliente. Estos sistemas se instalaron en las plantas de procesamiento de los productores de lácteos LLAFRAK y “San Bosco” respectivamente, ambos en Santa Rosa de Pocosol, San Carlos. Estas dos plantas procesadoras de leche se seleccionaron por ser una zona dedicada a la agricultura y la ganadería, con un índice de Desarrollo Social Distrital bajo (10).
Resultados y Discusión
Sistema fotovoltaico instalado en la lechería del Campus Tecnológico
Local San Carlos del Instituto Tecnológico de Costa Rica
Desde la instalación del sistema solar fotovoltaico en la lechería del Campus Tecnológico Local San Carlos, del Instituto Tecnológico de Costa Rica (ITCR-SSC) en mayo de 2015 y hasta octubre de 2018, se ha generado un total de 8296,86 kWh, con una media anual de 2428,35 kWh. Esta producción eléctrica ha supuesto un ahorro económico de ¢1 717 442 desde mayo de 2015 (aprox. ¢500 000 anuales), junto con un ahorro en la factura eléctrica inicial de un 28% (figura 1). Con este ahorro anual, la recuperación de la inversión inicial (¢3 630 000) se establecería en 7,2 años, lo cual es un tiempo de recuperación corto para una instalación de estas características (4) y (5).
Figura 1 Producción eléctrica mensual y ahorro económico mensual en la factura eléctrica debido a la instalación del sistema fotovoltaico en la lechería del ITCR-SSC
Por otro lado, la instalación de este sistema ha supuesto una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero de 1642,86 kg de CO2 anuales, de acuerdo con los datos registrados en el sistema Enlighten (5).
Sistema termosifónico híbrido instalado en la lechería del Campus
Tecnológico Local San Carlos, del Instituto Tecnológico de Costa Rica
El sistema termosifónico híbrido instalado en la lechería del ITCR-SSC permite el empleo de la energía solar para el calentamiento de agua destinada a la esterilización de los equipos de ordeño. Desde su instalación en mayo de 2015 hasta mayo de 2018, este equipo ha generado una media anual de 1603,16 kWh de energía equivalente. Esta producción energética ha supuesto un ahorro económico de ¢436 000 anuales, y ha evitado la emisión de 1106 kg de CO2 anuales (figura 2).
En este caso, la recuperación de la inversión inicial (¢5 000 000) se lograría en 11,5 años, lo cual supone un ahorro económico importante, aunque la inversión inicial es más cuantiosa (5). En los meses más soleados del año, principalmente entre enero y marzo, el ahorro económico puede alcanzar cotas cercanas al 80%, superando ampliamente la barrera del 50% de ahorro; durante el resto del año se mantiene cercano al 40% (figura 3).
Figura 2 Producción eléctrica equivalente y emisiones de CO2 evitadas por el sistema termosifónico instalado en el ITCR-SSC
Figura 3 Ahorro económico mensual y porcentaje de ahorro sobre la factura eléctrica previa debidos al sistema solar térmico en la lechería del ITCR-SSC
Sistema termosifónico híbrido forzado instalado en la planta procesadora de lácteos LLAFRAK
Antes de la instalación de este sistema, la lechería se valía de una caldera de leña de fabricación casera para calentar el agua hasta la temperatura necesaria para el proceso de pasteurización, la cual consumía aprox. 2,5 toneladas de leña al mes (4). El costo de la leña y la mano de obra necesaria para su manejo era de ¢202 250 mensuales. Actualmente, el consumo de gas LP implica un gasto mensual de ¢36 000 menos. Esto se traduce en un ahorro total de ¢166 250 al mes (4).
Los datos recogidos entre marzo de 2017 y julio de 2018 demuestran que, tras el paso por el sistema, el agua incrementaba su temperatura de aprox. 24,67 °C hasta 60,95 °C, por lo que el sistema ha sido capaz de suministrar cerca del 87,20% de la energía total necesaria para la producción en esta planta (figura 4).
Figura 4 Comparación entre la temperatura de entrada, temperatura en colectores y temperatura de salida del agua a través del sistema solar térmico forzado híbrido de LLAFRAK, en el periodo comprendido entre marzo de 2017 y julio de 2018.
Por otra parte, se debe tener en cuenta que, desde marzo de 2017 hasta julio de 2018, el sistema térmico de LLAFRAK generó un total de 11962,24 kWh, lo que se corresponde con 8254 kg equivalentes de carbono (figura 5).
Figura 5 Producción de energía equivalente, expresada en kWh/mes, por el sistema solar térmico forzado híbrido, y emisiones de CO2 evitadas por cada mes entre marzo de 2017 y julio de 2018.
En el caso de la leña, por cada kg de leña quemada se emitían a la atmósfera 1,7 kg de CO2. Teniendo en cuenta el uso de entre 2 y 2,5 toneladas de leña mensuales, anualmente esa cantidad se correspondía con 46,3 toneladas de CO2 emitidas a la atmósfera; las emisiones se han reducido en 38 toneladas de CO2 , equivalentes al 82,2% de las emisiones totales por año. Esta reducción en emisiones se traduce en una importante reducción del impacto ambiental generado por los productores de LLAFRAK y una mejora significativa en las condiciones de trabajo y salud de sus empleados (4).
Sistema termosifónico híbrido forzado instalado en la planta procesadora de lácteos “San Bosco”
Entre junio de 2016 y mayo de 2018 mediante el sistema solar térmico instalado se consiguió elevar la temperatura del agua desde 24,72 ºC hasta 59,46 °C, lo que supuso un 83% de la energía requerida por los procesos productivos en la planta procesadora de lácteos “San Bosco” (figura 6).
Figura 6 Gráfica comparativa de las temperaturas de entrada, temperatura en colectores y temperatura de salida del agua a través del sistema solar térmico forzado híbrido de “San Bosco”, en los periodos junio 2016 - junio 2017 (superior) y julio 2017 - agosto 2018 (inferior)
Como se puede comprobar, desde que “San Bosco” cuenta con el sistema solar se ha generado un total de 8749,92 kWh, con un promedio de 336 kWh/mes (figura 7). Esto se corresponde con una reducción total de 6037,44 kg de CO2 totales.
En la lechería de “San Bosco” el total energético producido es menor que en LLAFRAK, ya que la temperatura alcanzada por el sistema térmico de LLAFRAK es 3,8 °C mayor que en “San Bosco”. Esto puede ser debido a unas condiciones climatológicas de mayor nubosidad, que disminuyen el rendimiento del sistema, pero que no impiden, con ayuda del sistema auxiliar de Gas LP, alcanzar un óptimo rendimiento, generando la temperatura requerida para la realización correcta del proceso productivo.
Conclusiones
Con la aplicación de las tecnologías térmicas solares se ha reducido el consumo de energía y se ha obtenido mayor independencia en el aprovisionamiento energético en las plantas procesadoras analizadas. Por otro lado, se ha reducido las emisiones de gases de efecto invernadero, gracias al aprovechamiento de una fuente de energía totalmente limpia y renovable como la energía solar.
Por lo tanto, estas tecnologías resultan ser una alternativa de gran interés y con potencial para beneficiar las actividades agropecuarias, que han mostrado ser viables técnica y económicamente. Además, su impacto tanto en el medio ambiente como en las condiciones de vida de los productores es positivo, mejorando incluso la percepción del producto por parte del consumidor. Por todo ello, y teniendo en cuenta el escenario del cambio climático actual, parece imprescindible apostar por la energía solar en los diferentes ámbitos en los que se requiere el consumo de energía.
El uso de tecnologías solares también permitiría diferenciar el producto final como ecológicamente sostenible, mediante una etiqueta distintiva que lo identificaría en los mercados nacional e internacional.
