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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
- 2. Contenidos • Eólica • Solar •Minihidráulica • Geotérmica • Del mar • Biomasa 2
- 3. Energía eólica • Usode 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. Parqueseólicos • 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
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- 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
- 9. Energía eólica Parques eólicosen el mar 9
- 10. Energía eólica Parques eólicosen el mar 10
- 11. Energía eólica Montaje deparque eólico en el mar 11
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- 13. Elementos del aerogenerador •Torre • Rotor • Góndola 13
- 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
- 15. Elementos del aerogenerador Tipos de torres 15
- 16. Elementos del aerogenerador Rotor • Pala Superficie aerodinámica Cuello Brida • Buje 16
- 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
- 19. Elementos del aerogenerador Buje 19
- 20. Elementos del aerogenerador Góndola 20
- 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
- 22. Elementos del aerogenerador Interior de la góndola 22
- 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 • Solemite 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 25
- 26. Sistemas activos • Haydos 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
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- 28. Efecto fotovoltaico • Radiaciónsolar 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
- 29. Panel solar 29
- 30. Vista transversal deun panel solar 30
- 31. Característica I-V enfunción de la iluminación 31
- 32. Característica I-V enfunción de la temperatura 32
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- 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
- 38. Energía solar térmica Colectoresparabólicos 38
- 39. Energía solar térmica Colectoresparabólicos 39
- 40. Energía solar térmica Colectoresparabólicos 40
- 41. Energía solar térmica Colectoresparaboloides 41
- 42. Energía solar térmica Colectoresparaboloides 42
- 43. Energía solar térmica Colectoresparaboloides 43
- 44. Central de colectoresconcentradores Esquema 44
- 45. Energía solar térmica Torrecentral con heliostatos 45
- 46. Energía solar térmica Torrecentral con heliostatos 46
- 47. Energía solar térmica Torrecentral con heliostatos 47
- 48. Energía solar térmica Torrecentral con heliostatos 48
- 49. Central solar detorre central Esquema 49
- 50. Central solar detorre central Esquema 50
- 51. Energía solar térmica Central eólico-solar 51
- 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 • Norequieren grandes embalses reguladores • Menor impacto ambiental • Potencia instalada ≤ 10 MW • Realidad en España ⇒ Estancamiento 53
- 54. Tipos de centralesminihidráulicas • 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
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- 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 57
- 58. Energía geotérmica • Gradientegeotérmico 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 • Flujogeotérmico ⇔ 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 • Manifestaciónde alteraciones geotérmicas: Vulcanismo Alteraciones hidrotermales (géiser) Emanaciones gaseosas Fuentes termales y minerales 60
- 61. Energía geotérmica • Tiposde yacimientos geotérmicos: Sistemas hidrotérmicos Sistemas geopresurizados Sistemas de roca seca caliente 61
- 62. Sistemas hidrotérmicos • Fuentede calor a poca profundidad • Estrato de roca permeable que contiene agua • Capa de roca impermeable por encima 62
- 63. Sistemas hidrotérmicos • Clasificaciónpor 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 • Fluidolocalizado en formaciones rocosas profundas ⇒ Alta presión • Acompañado generalmente por gas natural • Explotación muy costosa 64
- 65. Sistemas de rocaseca 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
- 67. Aprovechamiento de unyacimiento de baja entalpía 67
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- 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 deenergía 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 73
- 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 74
- 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 • Amplitudde 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 • Aprovechamientode 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
- 80. Ciclo de simpleefecto Generación con bajamar 80
- 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
- 82. Centrales mareomotrices Ciclode doble efecto 82
- 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
- 84. Centrales mareomotrices Turbina bulbo 84
- 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
- 87. Centrales mareomotrices Instalaciones 87
- 88. Centrales mareomotrices Instalaciones 88
- 89. Centrales mareomotrices Instalaciones • Central del Rance (Francia) 89
- 90. Energía maremotérmica • Debidaa 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 • Rendimientodel 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
- 95. Energía maremotérmica Ciclo abierto 95
- 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
- 97. Energía maremotérmica Ciclo cerrado 97
- 98. Energía maremotérmica Tipos de central maremotérmica • Planta terrestre • Planta oceánica Estructura flotante Sistema de anclaje Cable submarino ⇒ Transporte de electricidad 98
- 99. Central maremotérmica Esquema 99
- 100. Central maremotérmica 1. Bombasde 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 lasolas • 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 lasolas 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 lasolas 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 lasolas 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 • Situadosperpendicularmente a la dirección de la ola incidente • Captan la energía de una sola vez • Son los más estudiados 105
- 106. Convertidores totalizadores • RectificadorRussell ⇒ Tanque de dos niveles entre los que fluye el agua pasando por una turbina 106
- 107. Energía de lasolas Convertidores totalizadores • Balsa Cockerell ⇒ 3 flotadores entre los que se instalan bombas de pistón (1-2.5 MW) 107
- 108. Energía de lasolas Balsa Cockerell 108
- 109. Energía de lasolas Convertidores totalizadores • Pato Salter ⇒ La ola presiona sobre su parte baja ⇒ Movimiento de semirrotación ⇒ Turbina 109
- 110. Energía de lasolas 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 lasolas Convertidores atenuadores • Bolsa de Lancaster ⇒ Estructura de hormigón con bolsas flexibles llenas de aire que acciona una turbina de aire 111
- 112. Energía de lasolas Convertidores atenuadores • Buque Kaimei ⇒ Barco equipado con columnas de agua oscilantes (2 MW) 112
- 113. Convertidores atenuadores Buque Kaimei 113
- 114. Energía de lasolas Convertidores puntuales • Aprovechan la energía de la ola en cualquier dirección • Muy usados en boyas o balizas 114
- 115. Energía de lasolas Convertidores puntuales • Boya Masuda ⇒ Cámara flotante semisumergida con una columna oscilante de agua 115
- 116. Energía de labiomasa • Obtención de la biomasa: Residuos vegetales Residuos animales Residuos industriales Residuos urbanos 116
- 117. Aprovechamiento de labiomasa • 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 labiomasa • Procesos bioquímicos: Fermentación alcohólica Digestión anaeróbica (fermentación microbiana en ausencia de oxígeno) 118
- 119. Esquema de centralde biomasa 119
- 120. Cogeneración 120
- 121. Cogeneración 121