Energías renovables

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

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

Energía eólica • Uso de la energía cinética del viento • Molinos con palas orientadas adecuadamente

1 2 mV 2 2 ρπ Ecin 2 V D 3 = = (ρAVt ) = P= V t t 2t 8 • Ventajas: ↓ Coste del combustible, no contamina • Inconvenientes: Variaciones del viento (velocidad, densidad aire), suministro irregular

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)

Esquema central eólica

Energía eólica Parques eólicos

Energía eólica Parques eólicos

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

Energía eólica Parques eólicos en el mar

Energía eólica Parques eólicos en el mar

Energía eólica Montaje de parque eólico en el mar

Energía eólica. Aerogeneradores

Elementos del aerogenerador • Torre • Rotor • Góndola

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

Elementos del aerogenerador Tipos de torres

Elementos del aerogenerador Rotor • Pala 

Superficie aerodinámica



Cuello



Brida

• Buje

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

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

Elementos del aerogenerador Buje

Elementos del aerogenerador Góndola

Elementos del aerogenerador Góndola • Cadena cinemática Eje de baja Rodamientos Caja de multiplicación Eje de alta • Generador • Sistema de orientación • Sistemas hidráulicos y otros 







Elementos del aerogenerador Interior de la góndola

Elementos del aerogenerador Interior de la góndola Capota

Alternador

Eje de alta Caja de multiplicación Suelo de la góndola Eje de baja

Buje Brida

Torre

Energía solar 14

• Sol emite 10 GWh cada segundo ⇒ 26 Potencia solar igual a 3.86 ×10 W o 5.24×1023 CV • 1 GWh ⇒ Energía necesaria para iluminar una bombilla de 100 W durante 10 ×106 horas 12

• La atmósfera intercepta ≈ 1500×10 GWh/año • Por reflexión, dispersión y absorción por los gases de la atmósfera sólo llegan a la 12 superficie terrestre ≈ 700×10 GWh/año

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

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)

Sistemas activos

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-VinilAcetato (EVA), conectadas en serie para aumentar la diferencia de potencial Protección contra humedad y golpes mediante vidrio templado y una lámina de teldar 



Panel solar

Vista transversal de un panel solar

Característica I-V en función de la iluminación

Característica I-V en función de la temperatura

Panel fotovoltaico

Energía solar fotovoltaica

Esquema central fotovoltaica

Energía solar térmica • Baja temperatura ⇒ Colectores planos (aire, agua) • Media ⇒ temperatura concentradores parabólicos

Colectores

• Alta temperatura: 

Colectores concentradores paraboloides



Centrales de torre central con heliostatos

Energía solar térmica Colectores concentradores

Parabólico

Torre central con heliostatos

Paraboloide

Energía solar térmica Colectores parabólicos

Energía solar térmica Colectores parabólicos

Energía solar térmica Colectores parabólicos

Energía solar térmica Colectores paraboloides

Energía solar térmica Colectores paraboloides

Energía solar térmica Colectores paraboloides

Central de colectores concentradores

Esquema

Energía solar térmica Torre central con heliostatos

Energía solar térmica Torre central con heliostatos

Energía solar térmica Torre central con heliostatos

Energía solar térmica Torre central con heliostatos

Central solar de torre central Esquema

Central solar de torre central Esquema

Energía solar térmica Central eólico-solar

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

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

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

Centrales minihidráulicas

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

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

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

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

dT q = −k dx • Gradiente normal: q = −60 mW/m2 ⇒ Poco aprovechable • Gradiente útil: q ≥ −400 mW/m2 ⇒ Debido a alteraciones geotérmicas

Energía geotérmica • Manifestación de alteraciones geotérmicas: 

Vulcanismo



Alteraciones hidrotermales (géiser)

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Emanaciones gaseosas



Fuentes termales y minerales

Energía geotérmica • Tipos de yacimientos geotérmicos:



Sistemas hidrotérmicos



Sistemas geopresurizados



Sistemas de roca seca caliente

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

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)

Sistemas geopresurizados • Fluido localizado en formaciones rocosas profundas ⇒ Alta presión • Acompañado generalmente por gas natural • Explotación muy costosa

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)

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)

Aprovechamiento de un yacimiento de baja entalpía

Central geotérmica

Central geotérmica

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

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

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

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

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

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

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

Energía mareomotriz Zonas de gran potencial • Potencia teórica = 3 × 106 MW

Centrales mareomotrices • Aprovechamiento de las mareas embalsando agua de mar en ensenadas naturales y haciéndola pasar por turbinas hidráulicas • Modos de operación: 





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Ciclo de simple efecto Ciclo de doble efecto Ciclo de acumulación por bombeo Ciclos múltiples

Centrales mareomotrices Ciclo de simple efecto • Generación embalse)

con

bajamar

(vaciado

del

• Generación con pleamar (llenado del embalse) ⇒ ↓ eficiente (niveles más bajos)

Ciclo de simple efecto Generación con bajamar

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

Centrales mareomotrices Ciclo de doble efecto

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

Centrales mareomotrices Turbina bulbo

Centrales mareomotrices Otros modos de operación • Ciclo múltiple



Requiere dos embalses



Producción de energía en todo momento

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

Centrales mareomotrices Instalaciones

Centrales mareomotrices Instalaciones

Centrales mareomotrices Instalaciones • Central del Rance (Francia)

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

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

Energía maremotérmica Perfil de temperaturas típico • Capa de aguas profundas: 

Temperatura estable ( ≈ 4 ºC)



A partir de 1000 m siempre hay 4 ºC

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

deseables • Condiciones maremotérmica: 





para

central

Gradiente térmico mínimo de 18 ºC Condiciones marinas favorables: corriente, tempestades, olas, meteorología, etc. Utilización local de la energía producida

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

Energía maremotérmica Ciclo abierto

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

Energía maremotérmica Ciclo cerrado

Energía maremotérmica Tipos de central maremotérmica • Planta terrestre • Planta oceánica 

Estructura flotante



Sistema de anclaje



Cable submarino electricidad

⇒

Transporte

de

Central maremotérmica Esquema

Central maremotérmica 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Bombas de aspiración Evaporador Conducto de vapor Turbina Generador Condensador Bomba de aspiración Tubería de aspiración Tubería de salida de agua condensada

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

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

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

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 perpendicular al frente del oleaje

eje

Absorbedores puntuales ⇒ Aislados, de dimensiones reducidas

Convertidores totalizadores • Situados perpendicularmente a la dirección de la ola incidente

• Captan la energía de una sola vez

• Son los más estudiados

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

Energía de las olas Convertidores totalizadores • Balsa Cockerell ⇒ 3 flotadores entre los que se instalan bombas de pistón (1-2.5 MW)

Energía de las olas Balsa Cockerell

Energía de las olas Convertidores totalizadores • Pato Salter ⇒ La ola presiona sobre su parte baja ⇒ Movimiento de semirrotación ⇒ Turbina

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

Energía de las olas Convertidores atenuadores • Bolsa de Lancaster ⇒ Estructura de hormigón con bolsas flexibles llenas de aire que acciona una turbina de aire

Energía de las olas Convertidores atenuadores • Buque Kaimei ⇒ Barco equipado con columnas de agua oscilantes (2 MW)

Convertidores atenuadores Buque Kaimei

Energía de las olas Convertidores puntuales • Aprovechan la energía de la ola en cualquier dirección • Muy usados en boyas o balizas

Energía de las olas Convertidores puntuales • Boya Masuda ⇒ Cámara flotante semisumergida con una columna oscilante de agua

Energía de la biomasa • Obtención de la biomasa: 

Residuos vegetales

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Residuos animales

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Residuos industriales

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Residuos urbanos

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)

Aprovechamiento de la biomasa • Procesos bioquímicos: 

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Fermentación alcohólica Digestión anaeróbica (fermentación microbiana en ausencia de oxígeno)

Esquema de central de biomasa

Cogeneración

Cogeneración