Trabajo SIMM 2009 D.lizana Minera Collahuasi FINAL

XVI Simposium de Ingeniería en Minas Santiago, 18-21 Agosto, 2009

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Energías Renovables No Convencionales: Tecnologías actuales y su potencial en la industria minera chilena

D. Lizana 1 (1) Ingeniero Forestal, Máster en Energías Renovables. Compañía Minera Doña Inés de Collahuasi, Asesor Eficiencia Energética y Energías Renovables, Av. Andrés Bello 2687 piso 11, Santiago, Chile [email protected] Resumen La estrechez energética y elevados precios vividos durante los últimos años y en particular en el 2008 en nuestro país, permitió levantar la discusión a nivel nacional sobre el uso y masificación de energías renovables no convencionales (ERNC), tema que ha sido recogido por el Gobierno y Organizaciones Medioambientales, como también por la Gran Industria Minera Nacional. Frente a estas dificultades energéticas, las ERNC se presentan como una opción real para diversificar la matriz energética Nacional y reducir la variabilidad de precio en el mediano y largo plazo, apuntando a aquellas tecnologías que aprovechen al máximo el uso de los recursos autóctonos renovables. Las tecnologías involucradas en la generación de este tipo de energía corresponden en buena medida a tecnologías probadas, altamente confiables y que están siendo promovidas y utilizadas en la mayoría de los países desarrollados. En este ámbito, la Compañía Minera Doña Inés de Collahuasi comenzó en el año 2008 -en el marco del Programa de Eficiencia Energética e Hídrica de la Compañía- a investigar los distintos tipos de fuentes de energía renovable y tecnologías asociadas existentes en el mercado internacional, que pudiesen presentar mayor potencial de aplicabilidad y desarrollo en Chile, centrándose especialmente en la I Región de Tarapacá. Esta Vigilancia Tecnológica ha puesto especial interés en la energía Solar Termoeléctrica, Fotovoltaica y Térmica, lo que se debe a las condiciones particulares de alta radiación y baja nubosidad que presenta el norte de Chile, además de ser el principal recurso energético renovable dentro de la zona de actuación de la Compañía capaz de ser utilizado a corto y mediano plazo.


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1. Importancia de las energías renovables no convencionales Las Energías Renovables No Convencionales (ERNC) se presentan como una opción real para diversificar la matriz energética de las Compañía Mineras a mediano y largo plazo. Las tecnologías involucradas en la generación de este tipo de energía corresponden en buena medida a tecnologías probadas, altamente confiables y que están siendo promovidas y utilizadas en gran parte de los países desarrollados. En la tabla 1 se establece una comparación entre las ERNC y las energías convencionales, a modo de difundir las ventajas y desventajas globales de este tipo de energías [1] [2] [3].

Tabla 1. Ventajas y desventajas de las ERNC frente a las energías convencionales ERNC E. Convencionales

Mínima producción de gases de efecto invernadero

Las producidas a partir de combustibles fósiles si los producen

No generan residuos de difícil tratamiento

La energía nuclear y los combustibles fósiles generan residuos que suponen durante generaciones una amenaza para el medioambiente

Ventajas medioambientales

Frena el agotamiento de combustibles fósiles contribuyendo a evitar el cambio climático

Se basan en el consumo de combustibles fósiles altamente contaminantes

Son inagotables a escala humana Los combustibles fósiles son finitos Autóctonas y universales Chile no posee reservas Ventajas

estratégicas Disminuyen la dependencia exterior Los combustibles fósiles son importados en un alto porcentaje

Crean 5 veces más puestos de trabajo que las convencionales

Las energías tradicionales crean muy pocos puestos de trabajo respecto a su volumen de negocio. Ventajas

Socioeconómicas Contribuyen al equilibrio interterritorial dado que se instalan en zonas rurales

Las energías tradicionales se sitúan en general cerca de zonas muy desarrolladas.

Disponibilidad es intermitente (salvo geotérmica y biomasa)

No dependen de factores climáticos (salvo la gran hidráulica)

Están suscritas a determinadas localizaciones

Generalmente se ubican cercanas a los puntos de consumo

Altos costos por falta de mercado consolidado

Mercado y tecnología madura, lo que disminuye los costos de las instalaciones

Requieren grandes extensiones de terreno

Instalaciones compactas de tamaño reducido (salvo gran hidráulica)

Desventajas

Actualmente el kWh suele ser más caro que la energía tradicional

Actualmente el KWh es más económico por madures de la tecnología.


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2. Análisis de la tecnología existente

Actualmente las ERNC en Chile y el mundo son consideradas no sólo como sustitutas de las fuentes de energías tradicionales, sino que también como un aporte al medio ambiente, otorgando con ésto grandes beneficios a nivel de imagen en las compañías que las incorporan dentro de su matriz energética.

La principal barrera que atraviesa este tipo de energía en Chile es la inexistencia de instrumentos fiscales que incentiven su uso y masificación, encareciendo dichos sistemas al ser analizados y comparados en corto plazo con las alternativas tradicionales de producción de electricidad. Estas diferencias se ven disminuidas al extender el periodo de análisis a más largo plazo, hecho que se atribuye al bajo costo de operación y mantenimiento, dado que la mayoría de estas fuentes de energía denominadas “limpias” no dependen de insumos críticos (como es el caso de las plantas térmica a base de gas natural, carbón o petróleo), siendo los propios factores ambientales (relativamente constantes en el tiempo) los que abastecen de “combustible” a este tipo de tecnología.

En la tabla 2 se establece una comparación entre las distintas tecnologías analizadas destacando: ventajas y desventajas específicas, CO2 emitido, rangos de potencia usuales, costos y estado comercial actual. En el anexo 1 se presentan fotografías de las principales tecnologías evaluadas. Tabla 2. Comparación de distintas tecnologías con potencial para Collahuasi para producción de electricidad.

CO2/ Rango de MMUS$/MW FP* Madurez Plazo de Tecnología

GWh Potencias Instalado % Tecno. proyecto

1. Solar Termoeléctrica**

3,6 30-320

MW 4,5 - 6 22-40 Media 4-6 años

2. Solar Fotovoltaica

2.1 Fotovoltaica de concentración

-- 1 - 100

MW 5 - 7 30 Media

2.2 Placa plana 5,9 100 kW - 10 MW

3 - 5 30 Alta

1-2 años

3. Eólica 7,4 10-100

MW 2 - 2,5 20-35 Alta 2-3 años

4. Geotérmica 56,8 ¿?? 6 - 8 90 Media 4-6 años

* Factor de Planta; ** Incluye tecnología Cilindro Parabólica, Torre de poder y Fresnel Fuentes: Elaboración propia bajo información recopilada por comunicación personal: Abengoa S.A.; Enerthi Chile; Iberdrola Renovables; Wind Service; Wireless Energy Chile y Zytech S.L.


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A continuación se describirán las principales tecnologías que, en corto plazo, podrían incorporarse dentro de la matriz energética del SING e incluso conectadas de manera independiente directamente a los sistemas eléctricos de las compañías mineras.

3. Energías renovables no convencionales orientadas a la generación de electricidad

3.1 Solar Termoeléctrica

Dentro de las energías renovables más prometedoras para el Norte de Chile, se encuentra la energía solar, puntualmente la Energía Solar Fotovoltaica y Solar Termoeléctrica de Media y Alta Concentración. Respecto a esta última, destacan las Centrales de Torre y Cilindro Parabólico, siendo esta última la que ha más se ha desarrollado en los últimos años, especialmente en España y EE.UU. [3] Las Centrales Solar Termoeléctrica del tipo Cilindro Parabólico es una tecnología que si bien lleva funcionando más de 20 años en California (EE.UU.) y Almería (España) tuvo un periodo de latencia que paralizó su desarrollo tecnológico, resurgiendo hace no más de 5 años en Europa. Esto se ve reflejado en la eficiencia del tubo colector, el cual en los últimos 20 años sólo ha mejorado en un 5%. Actualmente se está tratando de mejorar el sistema de captación a través del reemplazo del aceite térmico que circula por el tubo colector, por un sistema de generación directa de vapor, lo que simplificaría enormemente el sistema [3] [4]. El principio básico de funcionamiento de una Central Solar Térmica del tipo Cilindro Parabólico se basa en la concentración de radiación mediante unos colectores de forma cilíndrica de superficie especular. La superficie de calentamiento es un tubo situado en el eje o foco del cilindro, por el cual se hace circular un fluido térmico, el que es convertido en vapor para su posterior aprovechamiento por medio de turbinas de vapor para la producción de energía eléctrica [5]. Por su parte, las Centrales de Torre concentran la radiación que es dirigida a través de helióstatos hacia el foco de la torre -la cual puede medir entre 100 y 200 m dependiendo de la envergadura de la central – ubicado en su parte superior, generando vapor saturado el cual es empleado para mover una turbina.


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Las centrales térmicas solares son particularmente eficientes cuando la intensidad de la irradiación solar es elevada, superior a 2.000 kWh/m2/año. Si consideramos que el extremo norte de Chile se encuentra dentro en el Cinturón Solar de la tierra con mayor potencial de radiación alcanzando valores de hasta 2.800 kWh/m2/año (ver figura 1).

Figura 1. Cinturón Solar de la Tierra [4].

Las centrales solares cilindro parabólico se consideran técnicamente maduras y tienen extraordinarias perspectivas de futuro, prueba de ello es el gran número de nuevas plantas que se están construyendo principalmente en España y EE.UU. Sin embargo, probablemente el principal problema técnico que deben enfrentar las centrales solares termoeléctricas es el alto consumo de agua que requieren para el proceso de enfriamiento, hecho que podría dificultar su desarrollo y funcionamiento en zonas desérticas como el norte de Chile. Respecto a los consumos internos y superficie de terreno requerida, para una plata de 50 MW del tipo cilindro parabólico, se debe considerar una superficie de espejos de 510.000 m2 si contempla almacenamiento térmico, disminuyendo a 300.000 m2 si no consideramos el sistema de almacenamiento. Al incorporar las

Doña Inés de


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calles y espacios para disminuir sombras entre filas el terreno requerido debe ser multiplicado por tres, por lo tanto una planta con almacenamiento requerirá alrededor de 150 ha y sin almacenamiento 90 ha. Respecto al consumo de energía interno, este se encuentra entre 10 y 12% del total producido. Siendo un 8% del consumo interno destinado a la impulsión del fluido térmico. Para el proceso de limpieza de espejos se debe considerar 1,4 l/m2/mes de agua. El proceso de refrigeración del bloque de potencia consume entre 4 y 6 l/kWh producido. En el caso que la planta esté a una altura geográfica considerable, podría pensarse en utilizar aerocondensadores, disminuyendo el consumo de agua. Por otro lado, las bajas temperaturas que podrían presentarse durante las noches obligarían a mantener el fluido térmico y las sales fundidas a ciertas temperaturas, incrementando el consumo eléctrico en 1 o 2%. Ventajas de la tecnología solar termoeléctrica y su conexión a red Si se toma como referencia el caso español, la energía base del sistema la generan con energías tradicionales, principalmente con ciclo combinado de gas natural e hidroeléctricas, las cuales son las encargadas de entregar estabilidad al sistema eléctrico nacional. Esto es muy importante dado que, por normativa (española), las plantas de energías renovables tienen prioridad de entrada a la red mientras estén produciendo, sin importar el porcentaje del tipo de energía o tecnología asociada. Respecto a otras energías renovables como la eólica, la energía solar tiene un factor de predicción mayor, permitiendo mayor estabilidad en la red eléctrica. Además, la posibilidad de almacenar energía por medio de Sales Fundidas permite mayor gestionabilidad de la misma, volviendo menos vulnerable el sistema eléctrico global además de contrarrestar la baja continuidad de producción que presenta la energía eólica y fotovoltaica. Otro beneficio que puede obtenerse de este tipo de central es la utilización del excedente de calor para abastecer procesos térmicos de menor requerimiento en la industria minera, tales como calentamiento de soluciones, biolixiviación o producción de agua caliente sanitaria (ACS).


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3.2 Solar Fotovoltaica

La energía Solar Fotovoltaica corresponde a una tecnología considerada madura que, desde hace unos años, busca reducir los costos de fabricación de los paneles para poder competir en mejores condiciones con la energía convencional.

Esta tecnología que hace unos años costaba sobre los 10.000 US$/kW instalado actualmente ronda los 3.500-5.000 US$/kW y se espera que baje a valores altamente competitivos durante los próximos 5 años1.

El principal problema que debe vencer este tipo de energía es la incapacidad de almacenar energía proveniente de grandes bloques de potencia (el almacenamiento se usa actualmente en pequeñas instalaciones como sistemas de información, vigilancia o luminaria), por lo que limita a que la energía eléctrica generada sea enviada directamente al sistema eléctrico durante el periodo de horas del día en que la radiación solar permite su generación. Esto limita la generación en prácticamente un tercio de las horas del día.

Sin embargo, cuando se habla de una matriz eléctrica diversificada donde existen centrales con factores de planta diversos y cuya capacidad de generación puede gestionarse, es factible compatibilizar las Energías Renovables no convencionales con las fuentes tradicionales de generación.

Actualmente existen diversos tipos de paneles fotovoltaicos, los cuales poseen distintos rendimientos y durabilidad según sea el tipo de célula que lo compone [6]:

• Cristalinas: o Monocristalinas: rendimiento 14-20%; o Policristalinas: rendimiento 8-13%;

• Amorfas: corresponde a la célula donde el silicio no se ha cristalizado, su rendimiento fluctúa entorno al 10%;

• Teluro de cadmio: rendimiento del 8%. • Arseniuro de Galio: rendimiento del 20%, siendo en la actualidad una de

las mas eficientes. • Diseleniuro de cobre en indio: rendimiento es del 9%.

1 Sr. Fernando Nuño, www.leonardo-energy.org/espanol. European Copper Institute (ECI) Comunicación

personal.


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4. Energías renovables no convencionales orientadas a la generación de calor

4.1 Energía Solar térmica de baja concentración

En relación a la producción de calor en baja temperatura para procesos tales como calentamiento de soluciones, biolixiviación y ACS, la energía solar térmica de baja concentración, específicamente los Colectores Solares Planos y Tubos al Vacío presentan cualidades interesantes de ser evaluadas en el norte y centro de Chile, asociadas principalmente a su durabilidad y robustez (especialmente los Colectores Planos), cualidades requeridas para soportar la actividad sísmica de la zona y los problemas que podrían tener estos colectores bajo la acción de distintas fuerzas y movimientos.

Este tipo de tecnología es ideal para abastecer de ACS a los campamentos e instalaciones mineras, alcanzando ahorros de hasta un 60% en consumo energético tradicional para la producción de calor (gas y electricidad).

Actualmente, Compañía Minera Doña Inés de Collahuasi está llevando a cabo un piloto con la finalidad de validar el comportamiento de esta tecnología en sus instalaciones.

Principales características de un colector de placa plana:

• Colector sin concentración: utiliza la energía solar con la misma intensidad con la que incide;

• Recomendable para generación de ACS y calefacción por suelo radiante; • Temperatura de trabajo 50-70 °C; • Estructura robusta y de gran resistencia.

Principales características de un colector de tubo al vacío:

• Colector sin concentración: utiliza la energía solar con la misma intensidad con la que incide;

• Especialmente recomendados para calefacción por radiadores; • Pueden alcanzar elevadas temperaturas; Peligro de Ebullición; • Temperatura de trabajo 75-100 °C; • Montaje delicado; • Requieren de un servicio técnico responsable y con experiencia, difícil de

encontrar en Chile.


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Actualmente en Chile existen diversas opciones de Colectores Solares para producción de calor pero no existe una normativa o estándar que certifique la calidad de los equipos, lo que dificulta su elección más aún si se piensa en la construcción de una planta para producción de calor a gran escala. 5. Conclusiones

Dada la condición de alta radiación solar existente en el norte de Chile, la energía renovable con mayor potencial en la generación de electricidad corresponde a la Energía Solar, siendo actualmente la Solar Termoeléctrica -del tipo Cilindro Parabólico y Torre- y Fotovoltaica las tecnologías más adecuadas desde el punto de vista técnico-económico.

En relación a la generación de calor para procesos industriales y campamentos mineros, tanto los excedentes de calor de las plantas solares termoeléctricas como la tecnología de Colectores Solares de baja temperatura – Planos y de Tubo de Vacío- presentan características atractivas de ser evaluadas a corto y mediano plazo.

A pesar de la existencia de tecnología posible de ser empleada en procesos industriales-mineros, aún existen barreras técnicas, económicas y normativas que deben ser resueltas para que las ERNC se desarrollen y masifiquen en el norte de Chile.


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Referencias [1] Comisión Nacional de Energía. 2008. Política Energética: Nuevos Lineamientos. Chile. 177 p. [2] Ministerio de Energía y Minas (MEM); WWF y Toyota Motor Sales. 2004. Energías Renovables Conceptos y Aplicaciones. Ecuador. 207 p. [3] Greenpeace. 2004. Energía Solar Termoeléctrica. 2020 Pasos Firmes Contra el Cambio Climático. 51 p. [4] Schott AG (2008). Memorando Tecnológico Schott de Centrales Térmicas Solares. Alemania. 16 p. [5] Iberdrola (2006). Presentación Iberdrola y la Energía Solar Termoeléctrica. Seminario Sobre Energía Solar. Universidad Politécnica de Madrid. Madrid, España. 39 p. [6] Velleman Components. 2008. Guía de Placas Solares. <www.velleman.be> consulta realizada el 10 de julio de 2009.


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ANEXO 1. Fotografías de las tecnologías de energías renovables identificadas como potencialmente adoptables por la compañía.

Paneles solares fotovoltaicos en techo de

estacionamiento Huerto solar Fotovoltaico

Planta piloto de energía Solar Térmica instalada

en faena Collahuasi Solar térmica de alta concentración para producción de electricidad. Disco Stirling

Solar térmica de alta concentración para

producción de electricidad. Central de Torre Solar térmica de alta concentración para

producción de electricidad. Colectores Cilindro parabólicos

Fuente: Fotografías tomadas por el autor.

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