Generation assessment of renewable energy at urban areas in Mediterranean Countries

Abstract

Introducción: Se espera que la población mundial supere los 11.000 millones de personas a finales de siglo, la mayoría de las cuales vivirán en zonas urbanas. Este hecho supone que nuestro planeta se enfrenta a un gran reto en lo que respecta al suministro de energía sostenible. Las energías renovables han mostrado un enorme potencial para aumentar la sostenibilidad, sin embargo su uso dentro de las ciudades sigue siendo escaso. Esta perspectiva pone de manifiesto la importancia de la contribución urbana a las energías renovables, que será fundamental para el bienestar de una población urbana en continuo crecimiento. Entre las tecnologías emergentes de energías renovables en entornos urbanos destaca el uso de la biomasa vegetal para calefacción. La biomasa de origen vegetal se considera una fuente de carbono neutral, ya que la cantidad de CO2 que absorbe la planta durante su crecimiento a través del proceso de fotosíntesis, es la misma que libera durante su combustión, siendo por tanto el balance de carbono neutro. Los Países Mediterráneos en general presentan una alta dependencia de los combustibles fósiles, a la vez que una amplia disponibilidad de biomasa procedente tanto del sector forestal como de residuos agroindustriales. La transición a un sistema energético bajo en carbono implica la investigación de nuevas formas de energía renovable que permanecieron inutilizadas durante la era de los combustibles fósiles. Las ciudades son las principales productoras de residuos, y de acuerdo con la infraestructura disponible y el marco regulatorio establecido, estos residuos pueden ser clasificados, descontaminados y reutilizados, para ser quemados para la producción de energía térmica y eléctrica, o llevados a vertedero. En la actualidad, la mayoría de los residuos forestales, agroindustriales y ganaderos se descartan sin hacer un uso medioambientalmente sostenible de los mismos. Además, la integración de los recursos renovables de la biomasa en las políticas energéticas de las ciudades contribuirá, por una parte, a una mejor gestión de los residuos y, por otra, a aumentar la cuota de las energías renovables y la eficiencia energética. Los sistemas energéticos de distrito como los sistemas de calefacción urbana, son una tecnología creciente en muchas ciudades que permite alcanzar estos objetivos. La integración a gran escala de los sistemas energéticos de distrito en las ciudades se traduce en múltiples beneficios, ya que además de proporcionar a las zonas urbanas la energía térmica y eléctrica que necesitan, permite un mayor uso de las fuentes renovables del entorno circundante y, por tanto, una menor dependencia de los combustibles fósiles. También promueve la economía local, haciendo que el consumo de energía sea más asequible y mejorando la calidad del aire urbano mediante la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. Por tanto la motivación de esta Tesis es presentar líneas de investigación para poner de manifiesto el potencial de nuevas fuentes de energía procedentes de la biomasa, y para lograr su integración a nivel de distrito, lo que permitirá por un lado una mejor gestión de estos recursos y, por otro, un aumento tanto de la participación de las renovables en el mix energético como de la eficiencia energética de los sistemas de energía. 2. Contenido de la investigación: La Tesis se estructura en siete capítulos, cinco de los cuales son publicaciones en revistas indexadas en el Journal Citation Report. En el primer artículo se realiza una aproximación bibliométrica que permite situar la investigación dentro del contexto científico actual. En el segundo artículo se pone de manifiesto a través de un caso práctico, la integración de los recursos energéticos renovables procedentes de la biomasa en el sistema energético de distrito de las ciudades. En concreto se realiza el diseño y evaluación de un sistema de calefacción urbana alimentado mediante residuos forestales, para un pequeño asentamiento de 3.000 habitantes, analizando los beneficios económicos y ambientales obtenidos. En los artículos tercero y cuarto se determina mediante distintas técnicas de laboratorio, el poder calorífico y la composición química de dos residuos agroindustriales como el hueso del mango y la cáscara de cacahuete. Una vez determinado su poder calorífico, y teniendo en cuenta la producción de los principales países productores, se evalúa tanto la capacidad global de generación de energía, como la reducción obtenida en las emisiones de CO2, considerando la producción total de los distintos países productores. Por último en el artículo quinto se realiza una comparativa entre una antigua instalación térmica a base de fuel oil, y una nueva de biomasa alimentada mediante cáscara de pipa de girasol, que sirve para satisfacer las necesidades de calefacción y agua caliente sanitaria de un hotel. En concreto se realiza un análisis energético, medioambiental, económico y operativo de la nueva instalación térmica de biomasa. 3. Conclusión: El aumento de la población urbana, junto con el alto precio de los combustibles fósiles, hace de las energías renovables un elemento clave en la transición energética hacia una economía baja en carbono. Las energías limpias reducirán la dependencia de los combustibles fósiles, reduciendo también las emisiones de gases de efecto invernadero y mejorando así la contaminación ambiental en las zonas urbanas. La integración de los recursos energéticos renovables a nivel de distrito permite por un lado una mejor gestión de estos recursos y, por otro, un aumento tanto de la cuota de las energías renovables en el mix energético, como de la eficiencia energética de los sistemas energéticos. Por otro lado, promueve el desarrollo económico de la localidad y la calidad del aire se verá mejorada gracias a la reducción de las emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero. Estos sistemas pueden integrarse a gran escala para aplicaciones de calefacción y refrigeración urbanas. La calefacción y la refrigeración representan el 70% del consumo de energía de los edificios, y representan una parte significativa del consumo energético final mundial. Actualmente, la mayor parte de esta energía proviene de combustibles fósiles (gas, diesel, carbón, etc.), causando importantes emisiones de gases de efecto invernadero. En los sistemas de calefacción urbana centralizados mediante biomasa, así como en las calderas de biomasa descentralizadas a nivel residencial, los recursos energéticos que de otro modo se desperdiciarían pueden utilizarse para satisfacer las demandas relacionadas con la calefacción, el agua caliente sanitaria y otras aplicaciones. Además determinados residuos agroindustriales, que normalmente se desechan, poseen un elevado poder calorífico superior similar al de otros biocombustibles sólidos estandarizados, lo que los hace óptimos para la generación de energía térmica a nivel residencial. Los países mediterráneos en general y todos los europeos en particular tienen una alta dependencia externa de la energía utilizada. Los sistemas de calefacción urbana mediante biomasa, pueden significar una oportunidad para que los asentamientos rurales y urbanos se ajusten a las directivas europeas. Mientras los recursos de biomasa estén disponibles y próximos a los lugares de suministro, los costes de asentamiento, eliminación y transporte de la biomasa continuarán bajos, lo que garantizará la sostenibilidad energética, y contribuirá a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. Hoy en día, el uso de la energía verde en zonas urbanas representa un campo de gran interés para la comunidad científica. La generación urbana a gran escala de energía renovable se postula como una solución para el desarrollo de la energía sostenible, tanto para satisfacer la creciente demanda de energía en las ciudades, como para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Esta tesis propone novedosas metodologías para la integración de los recursos energéticos renovables en las zonas urbanas, a la vez que destaca el potencial energético de nuevas fuentes renovables procedentes de la biomasa.