Este documento resume diferentes tipos de energías renovables, incluyendo energía eólica, solar, minihidráulica, geotérmica y de la biomasa. Describe los componentes principales de parques eólicos y sistemas solares, así como cómo funcionan centrales minihidráulicas y geotérmicas. El documento también discute los desafíos y oportunidades de cada tecnología renovable.
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Energías renovables
1. Centrales de
energías
alternativas
José Manuel Arroyo Sánchez
Área de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, Automática y Comunicaciones
Universidad de Castilla – La Mancha
1
3. Energía eólica
• Uso de la energía cinética del viento
• Molinos con palas orientadas adecuadamente
1
mV 2
Ecin 2 V2 ρπD2 3
P= = = (ρAVt ) = V
t t 2t 8
• Ventajas: ↓ Coste del combustible, no
contamina
• Inconvenientes: Variaciones del viento
(velocidad, densidad aire), suministro irregular
3
4. 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
8. 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
14. 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
17. 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
18. 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
21. 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
23. Elementos del aerogenerador
Interior de la góndola
Capota Alternador
Eje de alta
Caja de multiplicación
Suelo de la góndola
Buje Eje de baja
Brida Torre
23
24. Energía solar
• Sol emite 1014 GWh cada segundo ⇒
26
Potencia solar igual a 3.86×10 W o
23
5.24×10 CV
• 1 GWh ⇒ Energía necesaria para iluminar
6
una bombilla de 100 W durante 10×10 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 ≈ 700×10 GWh/año
12
24
25. 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
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26. 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
28. 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
Protección contra humedad y golpes
mediante vidrio templado y una lámina de
teldar
28
36. 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
37. Energía solar térmica
Colectores concentradores
Parabólico Torre central Paraboloide
con heliostatos
37
52. 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
52
53. Centrales minihidráulicas
• No requieren grandes embalses reguladores
• Menor impacto ambiental
• Potencia instalada ≤ 10 MW
• Realidad en España ⇒ Estancamiento
53
54. 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
56. Centrales minihidráulicas
Elementos
• Muro para desviar el caudal de agua
• Presa
• Canal de derivación
• Cámara de carga
• Tubería forzada
56
57. 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
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58. Energía geotérmica
• 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
59. Energía geotérmica
• Flujo geotérmico ⇔ Flujo de calor asociado al
gradiente de temperatura:
dT
q = −k
dx
• Gradiente normal: q = −60 mW/m ⇒ Poco
2
aprovechable
• Gradiente útil: q ≥ −400 mW/m2 ⇒ Debido a
alteraciones geotérmicas
59
60. Energía geotérmica
• Manifestación de alteraciones geotérmicas:
Vulcanismo
Alteraciones hidrotermales (géiser)
Emanaciones gaseosas
Fuentes termales y minerales
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61. Energía geotérmica
• Tipos de yacimientos geotérmicos:
Sistemas hidrotérmicos
Sistemas geopresurizados
Sistemas de roca seca caliente
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62. Sistemas hidrotérmicos
• Fuente de calor a poca profundidad
• Estrato de roca permeable que contiene agua
• Capa de roca impermeable por encima
62
63. Sistemas hidrotérmicos
• 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
64. Sistemas geopresurizados
• Fluido localizado en formaciones rocosas
profundas ⇒ Alta presión
• Acompañado generalmente por gas natural
• Explotación muy costosa
64
65. 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
66. 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
70. 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
71. 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
72. 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
73. Energía del mar
Inconvenientes
• Bajo grado de desarrollo tecnológico
• Elevado coste de instalación
• Deterioro del paisaje e impacto en fauna y
flora
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74. 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
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75. 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 Amplitud 2
75
76. 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
77. Energía mareomotriz
Zonas de gran potencial
• Potencia teórica = 3 × 10 MW
6
77
78. 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
79. Centrales mareomotrices
Ciclo de simple efecto
• Generación con bajamar (vaciado del
embalse)
• Generación con pleamar (llenado del
embalse) ⇒ ↓ eficiente (niveles más bajos)
79
81. 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
83. 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
o Los dos extremos son cotas altas
83
85. Centrales mareomotrices
Otros modos de operación
• Ciclo múltiple
Requiere dos embalses
Producción de energía en todo momento
85
86. 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
90. 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
91. 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
92. Energía maremotérmica
Perfil de temperaturas típico
• Capa de aguas profundas:
Temperatura estable (≈ 4 ºC)
A partir de 1000 m siempre hay 4 ºC
92
93. 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
94. 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
96. 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
98. Energía maremotérmica
Tipos de central maremotérmica
• Planta terrestre
• Planta oceánica
Estructura flotante
Sistema de anclaje
Cable submarino ⇒ Transporte de
electricidad
98
100. 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
101. 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
102. 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
103. 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
104. 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
105. Convertidores totalizadores
• Situados perpendicularmente a la dirección de
la ola incidente
• Captan la energía de una sola vez
• Son los más estudiados
105
109. Energía de las olas
Convertidores totalizadores
• Pato Salter ⇒ La ola presiona sobre su parte
baja ⇒ Movimiento de semirrotación ⇒
Turbina
109
110. 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
111. Energía de las olas
Convertidores atenuadores
• Bolsa de Lancaster ⇒ Estructura de hormigón
con bolsas flexibles llenas de aire que acciona
una turbina de aire
111
112. Energía de las olas
Convertidores atenuadores
• Buque Kaimei ⇒ Barco equipado con
columnas de agua oscilantes (2 MW)
112
114. Energía de las olas
Convertidores puntuales
• Aprovechan la energía de la ola en cualquier
dirección
• Muy usados en boyas o balizas
114
115. Energía de las olas
Convertidores puntuales
• Boya Masuda ⇒
Cámara flotante
semisumergida con
una columna
oscilante de agua
115
116. Energía de la biomasa
• Obtención de la biomasa:
Residuos vegetales
Residuos animales
Residuos industriales
Residuos urbanos
116
117. 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
118. Aprovechamiento de la biomasa
• Procesos bioquímicos:
Fermentación alcohólica
Digestión anaeróbica (fermentación
microbiana en ausencia de oxígeno)
118