Energías renovables

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JJoosséé MMaannuueell AArrrrooyyoo SSáánncchheezz

ÁÁrreeaa ddee IInnggeenniieerrííaa EEllééccttrriiccaa DDeeppaarrttaammeennttoo ddee IInnggeenniieerrííaa EEllééccttrriiccaa,, EElleeccttrróónniiccaa,, AAuuttoommááttiiccaa yy CCoommuunniiccaacciioonneess

UUnniivveerrssiiddaadd ddee CCaassttiillllaa –– LLaa MMaanncchhaa

1

Contenidos

• Eólica • Solar • Minihidráulica • Geotérmica • Del mar • Biomasa

2

Energía eólica

• Uso de la energía cinética del viento

• Molinos con palas orientadas adecuadamente

( ) 322

2

cin V8DAVt

t2V

t

mV21

tEP ρπ

=ρ===

• Ventajas: ↓ Coste del combustible, no contamina

• Inconvenientes: Variaciones del viento (velocidad, densidad aire), suministro irregular

3

Energía eólica. Parques eólicos

• Conjunto de aerogeneradores conectados a la red (de transporte o distribución)

• Instalación costosa ⇒ ↑ Coste inversión inicial

⇒ Amortización en 15-20 años • Avances tecnológicos: ↓ Coste aerogenerador • Potencia instalada: 10-50 MW • Central de control (arranque, generación,

información meteorológica) 4

Esquema central eólica

5

Energía eólica Parques eólicos

6

Energía eólica Parques eólicos

7

Energía eólica Parques eólicos en el mar

• ↑ Costes de inversión: cableado submarino y

cimentación • Avances en cimentaciones y generadores del

orden de MW ⇒ Opción competitiva en aguas de hasta 15 m de profundidad

• Producción 50% mayor que parques terrestres

8


9


10

Energía eólica Montaje de parque eólico en el mar

11

Energía eólica. Aerogeneradores

12

Elementos del aerogenerador

• Torre

• Rotor

• Góndola

13

Elementos del aerogenerador Tipos de torres

• Celosía: poco usada, generadores grandes,

bajo coste y fea apariencia visual • Atirantada: generadores pequeños • Tubular: de las más típicas, de acero, en

generadores grandes • Hormigón: de las más típicas, en generadores

grandes 14

Elementos del aerogenerador Tipos de torres

15

Elementos del aerogenerador Rotor

• Pala

Superficie aerodinámica

Cuello

Brida • Buje

16

Elementos del aerogenerador Perfiles de palas

a) Madera contrachapada maciza

b) Chapa metálica conformada

c) Aluminio macizo

d) Aluminio extruido e) Acero-madera-fibra de vidrio

17

Elementos del aerogenerador Perfiles de palas

f) Acero-espuma de poliuretano-fibra de vidrio g) Aluminio-espuma de poliuretano-fibra de vidrio h) Aluminio-espuma de poliuretano-fibra de vidrio

i) Aluminio extruido-panel de abeja-fibra de vidrio

18

Elementos del aerogenerador Buje

19

Elementos del aerogenerador Góndola

20

Elementos del aerogenerador Góndola

• Cadena cinemática

Eje de baja

Rodamientos

Caja de multiplicación

Eje de alta

• Generador

• Sistema de orientación

• Sistemas hidráulicos y otros

21

Elementos del aerogenerador Interior de la góndola

22

Elementos del aerogenerador Interior de la góndola

Alternador Capota

Eje de altaCaja de multiplicación

Eje de bajaSuelo de la góndola

Buje

Torre Brida

23

Energía solar

• Sol emite 1014 GWh cada segundo ⇒ Potencia solar igual a 3.86×1026 W o 5.24×1023 CV

• 1 GWh ⇒ Energía necesaria para iluminar

una bombilla de 100 W durante 10×106 horas • La atmósfera intercepta ≈ 1500×1012 GWh/año • Por reflexión, dispersión y absorción por los

gases de la atmósfera sólo llegan a la superficie terrestre ≈ 700×1012 GWh/año

24

Energía solar Sistemas de captación

• Pasivos (calefacción, refrigeración)

Sin dispositivo captor de energía solar

Aplicación de elementos arquitectónicos o

estrategias de funcionamiento

• Activos ⇒ Captan la radiación solar mediante un elemento de determinadas características llamado colector

25

Sistemas activos

• Hay dos tipos de conversión energética:

Eléctrica (Solar fotovoltaica)

Térmica (Solar térmica ⇒ Vapor ⇒ Electricidad):

o Baja temperatura (< 100 ºC)

o Media temperatura (> 100 ºC, < 300 ºC)

o Alta temperatura (> 300 ºC)

26

Sistemas activos

27

Efecto fotovoltaico

• Radiación solar incide sobre un semiconductor ⇒ Movimiento caótico de electrones

• Si se unen dos regiones p-n ⇒ Campo electrostático constante (corriente continua)

• Panel solar:

Células solares embutidas en Etilen-Vinil-Acetato (EVA), conectadas en serie para aumentar la diferencia de potencial

28

Protección contra humedad y golpes mediante vidrio templado y una lámina de teldar

Panel solar

29

Vista transversal de un panel solar

30

Característica I-V en función de la iluminación

31

Característica I-V en función de la temperatura

32

Panel fotovoltaico

33

Energía solar fotovoltaica

34

Esquema central fotovoltaica

35

Energía solar térmica

• Baja temperatura ⇒ Colectores planos (aire, agua)

• Media temperatura ⇒ Colectores

concentradores parabólicos • Alta temperatura:

Colectores concentradores paraboloides

Centrales de torre central con heliostatos

36

Energía solar térmica Colectores concentradores

Paraboloide Parabólico Torre central con heliostatos

37

Energía solar térmica Colectores parabólicos

38


39


40

Energía solar térmica Colectores paraboloides

41


42


43

Central de colectores concentradores Esquema

44

Energía solar térmica Torre central con heliostatos

45


46


47


48

Central solar de torre central Esquema

49

Central solar de torre central Esquema

50

Energía solar térmica Central eólico-solar

51

Energía solar Inconvenientes

• Baja densidad de energía por unidad de

superficie (captación y concentración de esta energía)

• Disponible sólo durante una parte del día • Dependiente de las condiciones atmosféricas

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Centrales minihidráulicas

• No requieren grandes embalses reguladores • Menor impacto ambiental • Potencia instalada ≤ 10 MW • Realidad en España ⇒ Estancamiento

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Tipos de centrales minihidráulicas

• Centrales de agua fluyente

Usan parte del caudal de un río

Salto útil constante

Caudal muy variable (hidrología)

• Centrales de pie de presa ⇒ Situadas aguas abajo de embalses

• Centrales de canal de riego ⇒ Situadas en conducciones de agua para riego o abastecimiento de poblaciones

54

Centrales minihidráulicas

55

Centrales minihidráulicas Elementos

• Muro para desviar el caudal de agua • Presa • Canal de derivación • Cámara de carga • Tubería forzada

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Energía geotérmica

• Geotermia

Fenómenos relacionados con el almacenamiento de calor en el interior de la Tierra por la desintegración de sustancias radiactivas de su núcleo

• Origen

Períodos de formación de la Tierra

Baja disipación por la baja conductividad de los materiales que forman la Tierra

57


• Gradiente geotérmico

Δ de la temperatura con la profundidad

Variable según las zonas del planeta

Gradiente normal: 1 ºC por cada 33 m de profundidad = 30 ºC/km

58


• Flujo geotérmico ⇔ Flujo de calor asociado al gradiente de temperatura:

dxdTkq −=

• Gradiente normal: q = −60 mW/m2 ⇒ Poco

aprovechable

• Gradiente útil: q ≥ −400 mW/m2 ⇒ Debido a alteraciones geotérmicas

59


• Manifestación de alteraciones geotérmicas:

Vulcanismo

Alteraciones hidrotermales (géiser)

Emanaciones gaseosas

Fuentes termales y minerales

60


• Tipos de yacimientos geotérmicos:

Sistemas hidrotérmicos

Sistemas geopresurizados

Sistemas de roca seca caliente

61


• Fuente de calor a poca profundidad • Estrato de roca permeable que contiene agua • Capa de roca impermeable por encima

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• Clasificación por la fase del fluido:

Sistemas con predominio de agua ⇒ Problemas por sales corrosivas disueltas

Sistemas con predominio de vapor ⇒ Turbina de vapor ⇒ Electricidad

• Clasificación por la temperatura:

Sistemas de alta entalpía (T > 150 ºC)

Sistemas de baja entalpía (T < 150 ºC) 63

Sistemas geopresurizados

• Fluido localizado en formaciones rocosas profundas ⇒ Alta presión

• Acompañado generalmente por gas natural

• Explotación muy costosa

64

Sistemas de roca seca caliente

• Rocas impermeables que rodean una cámara magmática

• Ausencia de acuífero • Extracción difícil del calor

Perforación de pozos profundos

Creación de superficies de transferencia (fracturas)

65

Aprovechamiento de energía geotérmica

• Calor ⇒ Calentamiento de fluido (agua, vapor)

en el lugar de la explotación • Vapor ⇒ Accionamiento de turbina-generador • Condensador ⇒ Enfría el vapor y el fluido

resultante es calentado de nuevo (se cierra el ciclo)

• España ⇒ 0.05% de energías renovables

(Futuro: Islas Canarias) 66

Aprovechamiento de un yacimiento de baja entalpía

67

Central geotérmica

68

Central geotérmica

69

Energía geotérmica Inconvenientes

• Tratamiento de yacimientos para evitar la

contaminación a su alrededor (mercurio, compuestos de azufre, etc.)

• Deterioro del paisaje • Uso local de la energía

70

Energía del mar

• Debida a la influencia de la radiación solar y de los campos gravitatorios solar, terrestre y lunar sobre las grandes superficies de mares y océanos

• Fenómenos energéticamente aprovechables

71

Posibles fuentes de energía en el mar

• Mareas ⇒ Bastante estudiado • Gradiente térmico ⇒ Bastante estudiado • Olas ⇒ Bastante estudiado • Gradiente salino • Vientos oceánicos • Corrientes marinas • Biomasa marina

72

Energía del mar Inconvenientes

• Bajo grado de desarrollo tecnológico • Elevado coste de instalación • Deterioro del paisaje e impacto en fauna y

flora

73

Energía mareomotriz

• Mareas: Fluctuación periódica del nivel del mar debido a la atracción gravitatoria de los astros y al movimiento de rotación de la Tierra

• Factores que influyen en las mareas:

Relieve de las costas

Orografía del fondo

Fenómenos meteorológicos

74

Energía mareomotriz Magnitudes características

• Período ⇒ Tiempo comprendido entre dos

pleamares o dos bajamares (≈ 12 horas) • Amplitud ⇒ Diferencia de nivel entre una

pleamar y una bajamar consecutivas

P ∝ S Amplitud2

75

Energía mareomotriz

• Amplitud de las mareas ⇒ Valor variable en el planeta

Baja en el centro de los océanos ≈ 1 m

En algunos lugares se alcanzan los 15 m

Amplitudes menores de 5 m ⇒ ↓ Viabilidad

• Máxima si Sol, Tierra y Luna están en línea

• Mínima si Sol, Tierra y Luna forman 90º

76

Energía mareomotriz Zonas de gran potencial

• Potencia teórica = 3 × 106 MW

77

Centrales mareomotrices

• Aprovechamiento de las mareas embalsando agua de mar en ensenadas naturales y haciéndola pasar por turbinas hidráulicas

• Modos de operación:

Ciclo de simple efecto

Ciclo de doble efecto

Ciclo de acumulación por bombeo

Ciclos múltiples

78

Centrales mareomotrices Ciclo de simple efecto

• Generación con bajamar (vaciado del

embalse) • Generación con pleamar (llenado del

embalse) ⇒ ↓ eficiente (niveles más bajos)

79

Ciclo de simple efecto Generación con bajamar

80

Centrales mareomotrices Ciclo de doble efecto

• Aprovecha vaciado y llenado del embalse

Inversión del sentido del flujo de agua ⇒ Circulación en la misma dirección en la turbina

Turbina reversible

• ↓ eficiencia en cada ciclo pero ↑ producción

de energía

81

Centrales mareomotrices Ciclo de doble efecto

82

83o Los dos extremos son cotas altas

Centrales mareomotrices Otros modos de operación

• Ciclo de acumulación por bombeo

Generación de energía con ambas mareas

Almacenamiento por bombeo ⇒ ↑ eficiencia

Grupo turbina-bomba ⇒ Turbina bulbo en lugar de turbina Kaplan:

o Turbina reversible

Centrales mareomotrices Turbina bulbo

84

Centrales mareomotrices Otros modos de operación

• Ciclo múltiple

Requiere dos embalses

Producción de energía en todo momento

85

Centrales mareomotrices Inconvenientes

• Número reducido de horas de utilización • No opera para amplitudes menores que el

salto mínimo utilizable para el funcionamiento de las turbinas

• Potencia muy variable

86

Centrales mareomotrices Instalaciones

87


88


• Central del Rance (Francia)

89

Energía maremotérmica

• Debida a la diferencia de temperatura entre la superficie y las profundidades del mar

• Zona más aprovechable: Mares de zonas intertropicales

30% superficie marina total del planeta

Reciben grandes cantidades de radiación

Suponen un almacén de energía térmica 90

Energía maremotérmica Perfil de temperaturas típico

• Capa superficial (100-200 m de espesor):

Temperatura muy uniforme (25-30 ºC)

Sirve de capa colectora de la radiación

• Capa de transición (200-400 m de espesor):

Variación rápida de la temperatura

Actúa como barrera entre las otras dos capas

91

Energía maremotérmica Perfil de temperaturas típico

• Capa de aguas profundas:

Temperatura estable (≈ 4 ºC)

A partir de 1000 m siempre hay 4 ºC

92

Energía maremotérmica

• Rendimiento del proceso termodinámico ⇒ En torno al 2% para transferencia entre un foco frío a 4 ºC y un foco caliente a 30 ºC

• Condiciones deseables para central maremotérmica:

Gradiente térmico mínimo de 18 ºC

Condiciones marinas favorables: corriente, tempestades, olas, meteorología, etc.

Utilización local de la energía producida 93

Energía maremotérmica Modos de operación

• Ciclo abierto:

Fluido de trabajo: Agua del mar

Evaporación parcial por expansión

Expansión en la turbina

Condensación mediante el agua fría

94

Energía maremotérmica Ciclo abierto

95

Energía maremotérmica Modos de operación

• Ciclo cerrado:

Fluido de trabajo de bajo punto de ebullición: Amoniaco, propano, freón

Evaporación mediante el agua caliente

Expansión en la turbina

Condensación mediante el agua fría 96

Energía maremotérmica Ciclo cerrado

97

Energía maremotérmica Tipos de central maremotérmica

• Planta terrestre • Planta oceánica

Estructura flotante

Sistema de anclaje

Cable submarino ⇒ Transporte de electricidad

98

Central maremotérmica Esquema

99

Central maremotérmica

1. Bombas de aspiración

2. Evaporador

3. Conducto de vapor

4. Turbina

5. Generador

6. Condensador

7. Bomba de aspiración

8. Tubería de aspiración

9. Tubería de salida de agua condensada 100

Energía de las olas

• Fricción del viento con la superficie del mar ⇒ Movimientos ondulatorios circulares en las partículas fluidas

• Recurso de densidad energética débil ⇒ Explotación difícil

• Recurso energético aleatorio

101

Energía de las olas Fenómenos básicos aprovechables

• Empuje ⇒ Se aprovecha la velocidad

horizontal del agua mediante un obstáculo • Variación de altura ⇒ Se aprovecha el

movimiento alternativo vertical de las olas con estructuras flotantes

102

Energía de las olas Fenómenos básicos aprovechables

• Variación de presión ⇒ Volumen de aire

sometido a presión variable por el oleaje

Sistemas activos ⇒ Se mueven con la ola para extraer energía por el movimiento relativo de sus partes

Sistemas pasivos ⇒ Estructuras fijas que

extraen la energía directamente de las partículas fluidas

103

Energía de las olas Convertidor

• Capta energía mecánica aleatoria de las olas

y la convierte en energía útil (electricidad)

Totalizadores o terminadores ⇒ Largos, con eje paralelo al frente del oleaje

Atenuadores ⇒ Largos, con eje

perpendicular al frente del oleaje

Absorbedores puntuales ⇒ Aislados, de dimensiones reducidas

104

Convertidores totalizadores

• Situados perpendicularmente a la dirección de la ola incidente

• Captan la energía de una sola vez • Son los más estudiados

105

Convertidores totalizadores

• Rectificador Russell ⇒ Tanque de dos niveles entre los que fluye el agua pasando por una turbina

106

Energía de las olas Convertidores totalizadores

• Balsa Cockerell ⇒ 3 flotadores entre los que

se instalan bombas de pistón (1-2.5 MW)

107

Energía de las olas Balsa Cockerell

108

Energía de las olas Convertidores totalizadores

• Pato Salter ⇒ La ola presiona sobre su parte

baja ⇒ Movimiento de semirrotación ⇒ Turbina

109

Energía de las olas Convertidores atenuadores

• Estructuras largas paralelas a la dirección de

avance de la ola • Reducen la energía de la ola absorbiéndola

progresivamente • Captan la energía por dos lados ⇒ ↓ esfuerzo

sobre la estructura ⇒ Anclaje más sencillo • Menos expuestos a daños

110


• Bolsa de Lancaster ⇒ Estructura de hormigón

con bolsas flexibles llenas de aire que acciona una turbina de aire

111


• Buque Kaimei ⇒ Barco equipado con

columnas de agua oscilantes (2 MW)

112

Convertidores atenuadores Buque Kaimei

113

Energía de las olas Convertidores puntuales

• Aprovechan la energía de la ola en cualquier dirección

• Muy usados en boyas o balizas

114

Energía de las olas Convertidores puntuales

• Boya Masuda ⇒Cámara flotante semisumergida con una columna oscilante de agua

115

Energía de la biomasa

• Obtención de la biomasa:

Residuos vegetales

Residuos animales

Residuos industriales

Residuos urbanos 116

Aprovechamiento de la biomasa

• Extracción de hidrocarburos

• Combustión directa

• Gasificación (combustión con defecto de oxígeno)

• Pirólisis (descomposición por acción del calor en ausencia de oxígeno ⇒ gases combustibles)

117

Aprovechamiento de la biomasa

• Procesos bioquímicos:

Fermentación alcohólica

Digestión anaeróbica (fermentación microbiana en ausencia de oxígeno)

118

Esquema de central de biomasa

119

Cogeneración

120

Cogeneración

121

Education

Energías renovables