Tecnologías Renovables

Tecnologías Renovables:
Marco Actual, Descripción
y Funcionamiento
San Salvador de Jujuy
23 de Abril de 2010
Jorge A. González
Universidad Nacional de Tucumán
VISIONES, EN EL MARCO DE LA CONFERENCIA
SOBRE CAMBIO CLIMÁTICO EN COPENHAGEN
GRUPO VERDE “DÓLAR”
El negocio de las tecnologías llamadas limpias movió unos
630000 millones de euros en 2007, superando al sector farmac.
La emisión de CO2 estará cada vez más penada y la energía
costará más. Quien posea la tecnología para emitir menos,
ganará más que quien contamine.
GRUPO VERDE “BOSQUE”
"Es nuestro clima, no vuestros intereses", fue uno de los lemas
ambientalistas.
Muchos ven que los empresarios les roban el discurso y se
envuelven en una bandera verde, en la que realmente no creen.
INTRODUCCION
La evolución y progreso del hombre está ligado al uso de
energía. La demanda de energía aumenta continuamente
(en el 2030 un 40% más que el consumo actual, AIE) .
Dada una Demanda, se necesita por un lado, de la existencia
de un Recurso primario, y por el otro, de un Sistema que
transforme ese recurso para hacerlo utilizable por esta Demanda.
Recurso
Energético
Sistema Tecnológico
para Transformar
el Recurso
Demanda o Consumo
de Energía
Sistemas Energéticos Actuales: Alimentados con ≈ 79% recursos
fósiles (carbón, petróleo y gas), ≈ 20 % material radiactivo, agua
y biomasa y ≈ 1 % energía eólica, geotérmica, solar (IEA, 2007).
Sist. Tecnológicos Imperantes: Es función del Recurso usado.
En el área eléctrica, Generación Térmica, Nuclear, Hidráulica.
Característ.: Sistemas Centralizados y de Grandes Dimensiones.
Contexto Global Actual
¾ Costo y “Finitud”
Finitud” del Recurso Petró
Petróleo
¾ Cambio Climá
Climático asociado a la producció
producción
de CO2 por la combustió
combustión de recursos fó
fósiles
(Informe Stern,
producción de energí
energía elé
eléctrica,
Stern, 2006: 24 % producció
14 % transporte , 14 % industria,)
industria,)
¾Vigencia del Protocolo de Kyoto
(Establece el primer compromiso formal de las economías
industrializadas, de reducir sus emisiones antropogénicas de GEI,
en un promedio del 5,2% respecto del nivel de 1990, durante el
primer período de compromiso 2008-2012).
Motoriza la Investigación, Desarrollo e Innovación (I+D+i) de:
NUEVOS SISTEMAS ENERGETICOS basados en RECURSOS RENOVABLES
Energías No Renovables: Energías
provenientes de recursos almacenados
en la corteza terrestre, que presentan
riesgo cierto de agotarse en un tiempo
más o menos finito.
Energías Renovables:
Flujos de
energía que se están recargando
continuamente
mediante
ciclos
naturales. Son recursos que no
presentan riesgo cierto de agotarse en
un tiempo finito.
Algunas Características de los Recursos Renovables
¾Recursos Renovables Æ “Recursos Infinitos”.
¾Presentan una naturaleza distribuida Æ se pueden
aprovechar en distintos puntos del planeta.
¾Presentan una naturaleza difusa Æ bajo contenido
energético Æ grandes áreas de captación.
¾ La radiación solar y el viento son variables con el tiempo
(intermitencia) Æ almacenamiento e hibridización.
Las NTER que producen energía
eléctrica y/o calórica, aprovechan el
siguiente recurso renovable:
SOL Æ solar, eólica, biomasa,
hidráulica, undimotriz
GRAVEDAD Æ mareomotriz, corriente
oceánica
CALOR INTERNO de la TIERRAÆ geotér.
NUEVAS TECNOLOGIAS que usan
ENERGIAS RENOVABLES (NTER)
Sistema Fotovoltaico
Se produce electricidad en forma
directa por medio del efecto FV
Æsaltos de electrones en materiales
semiconductores cuando se excitan
por la radiación solar (fotones o
cuantos de luz).
La unidad básica donde se produce
este fenómeno se llama célula FV
(Si-c: dos delgadas láminas de Si,
P-Boro y N-Fósf, 30 mA/cm2 - 0,5 V)
Si éstas se acoplan en determinadas
configur. (serie, paralelo) forman un
módulo donde se obtienen > U, I, P.
SFV: aislados de la red, conectados a la red (urbanos, huertas)
Aislado de la red
El costo por Wpico instalado,
es de unos 8-9 U$S/Wp.
Función del sitio de instalación.
Es una tecnología muy cara,
pero competitiva en ciertos
nichos.
Conectado a la red
El tiempo de retorno de
energía es de unos 4-6 años,
considerando una vida útil de
≈ 25-30 años. Función del
grado de insolación.
Esquemas del Libro La Electricidad Solar Térmica
Central Fotovoltaica
UNESA
Central muy costosa Æ 4000-7000 [U$S/kW instalado], 16-25
[cU$S/kWh]. La E produc es unas 5 veces más cara que en un
sistema convencional.
Curva Tensión Corriente de un dispositivo FV , obtenida según STC
STC
AM=1.5
η=
VN [V ]I N [ A]
⎡W ⎤
G ⎢ 2 ⎥ xA[m 2 ]
⎣m ⎦
Nota: Bajo STC, el PMP es el punto (VN,IN). Para otras condiciones de
irradiancia y temperatura las curvas se modifican, obteniéndose otros PMP.
Pp = Potencia Pico = VN x IN Æ P máxima entregada por el dispositivo bajo STC.
Sistemas Solares Térmicos de Baja Potencia
Cocinas Solares
Agua Caliente
Sanitaria
(400-700 Eu/m2,
50 lt/m2)
Sistema Solar Térmico de Alta Temperatura
Sistemas de Concentración Solar
Basados en espejos móviles con geometría para reflejar y
concentrar radiación solar sobre un sistema receptor, para
aumentar la temp. de un fluido de trabajo que circula.
¾Sistema Concentrador Puntual en Torre
¾Sistema Concentrador Lineal Cilindro-Parabólico
¾Sistema Concentrador Puntual Disco Parabólico
¾Sistema Concentrador Lineal Fresnel
Sistema Concentrador en Torre – Receptor Central
Consiste de una torre (70-150 m) y un
campo de helióstatos (cientos de
espejos móviles de ≈ 10x10 m cada
uno) controlados automáticam. para
concentrar la radiación solar (200-1000
veces) en un receptor que se encuentra
en la parte alta de la misma (800-1000
ºC). Las potencias unitarias pueden estar
entre 10-200 MWe.
Por el receptor circula un fluido (aire, sales fundidas) que se calienta y
fluye por un generador de vapor de agua, vapor que hace funcionar una
turbina acoplada a un G eléctrico. El fluido puede ser directamente agua
(PS10).
Para asegurar potencia firme, el sistema puede contar con tanques de
almacenamiento del fluido y/o hibridización con gas o biomasa.
Costo estimado 3000-3500 [U$S/kW instalado], 20-25[cU$S/kWh]
Planta PS10 de Abengoa,
Sanlúcar la Mayor (Sevilla)
½ hora
La potencia eléctrica es de 11 MW. Posee 624 helióstatos
de 120 m2, que forman un campo de 75000 m2. Cada uno
es independiente y sigue al sol sobre dos ejes,
concentrando luz en el receptor que está arriba de la torre
a 115 m de altura
η = η óptico x η receptor x η ciclo termodin ≈ 0,7 x 0,85 x 0,26 Æ 15 %
Costo estimado 3000-3500 [U$S/kW instalado], 20-25[cU$S/kWh]
Diagrama de otros
dos tipos de centrales
Tanque sales
calientes
Receptor
565ºC
Tanque sales frías
290ºC
Generador
vapor
Helióstatos
Bloque de
potencia
A ire Caliente
680ºC
Receptor
G enerador de
V apor
≈
A lm acenam iento
Térm ico
Cam po de H elióstatos
Soplante 1
A ire Soplante 2
Frío
110ºC
V apor
65 bar, 460ºC
Bloque de Potencia
Sistema Concentrador Cilindro-Parabólico
La radiación solar es concentrada entre 40-60
veces sobre tubos lineales situados en el foco de
una parábola, por donde circula un fluido
(aceite) que se calienta ≈ a 400 ºC. Luego se
transfiere este calor al agua para producir vapor
y/o a tanques de almacenamiento que
contienen sales fundidas. La potencia obtenida
puede estar entre 30 y 80 MW.
El 80% del costo es el inicial y el 20% es la operación. Luego de 25-30 años la
planta estará pagada, y su costo será solo el de operación ≈ 3 U$Scen/KWh
Pérdidas Opticas en el Concentrador
Pérdidas Térmicas en el tubo absorbedor
Tubos Absorbedores Schott Solar
Esquema típico de un Sistema de CP
para producción de electricidad.
Planta de Nevada Solar de 64 MW, ocupa 162 ha, con 73 km de tubos absorbedores.
Sistema Concentrador por Discos Parabólicos
Estos sistemas modulares, concentran la energía solar (1000-4000 veces)
en su punto focal alcanzando temperaturas del orden de 700-1000°C,
generando vapor para una TV convencional o un motor Stirling. Las
Potencias de operación son de 5-25 kW (discos de 10 m de diámetro).
Sistema Concentrador Fresnel
Estos sistemas reflejan la radiación solar en espejos planos o levemente
curvados y la concentran en un receptor lineal situado a una altura del
orden de los metros. Por allí circula agua que es calentada y evaporada.
Presenta bajos costos y generan en el orden de los MW.
Reflexiones de los rayos en
el Sistema Fresnel
Vista de los espejos
y Tubo absorbedor
Planta Fresnel Nova-1 (España, 2009): 1,4 MW, 2 GWh de energía
eléctrica, 16 filas de espejos, altura del receptor 7,4 m.
El vapor saturado producido está a 270 °C y una presión de 55 bar.
Comparación entre Sistemas de Concentración Solar
Diego Martínez Plaza, CIEMAT
Plataforma Solar de AlmeríaAlmería-CiematCiemat-España
Sistema Eólico
ENERGIA
SOLAR
ENERGIA
EOLICA
ELEMENTO
TECNOLO.
ENERGIA
MECANICA
Proceso de transformación usado
durante centenares de años, para
aplicaciones en navegación, molienda
de granos, bombeo de agua, etc..
ELEMENTO
TECNOLO.
ENERGIA
ELECTRICA
En la actualidad, este proceso tiene como fin principal la
Generación de Energía Eléctrica, vinculándose diversas áreas
del conocimiento: planificación, meteorología, aerodinámica,
electricidad, mecánica, civil.
El viento global resulta de la existencia de calentamientos
diferentes+rotación terrestre. Los vientos locales, de la
orografía, obstáculos y masas de agua del lugar.
MUY IMPORTANTE: medición de la variable viento Æ potencial eólico
Pd /A = ½ ρ x v3 [W/m2]
Rosa de los Vientos
⎡ ⎛ υ ⎞ ⎤ Weibull
k ⎛υ ⎞
fW (υ ) = ⎜ ⎟ exp⎢− ⎜ ⎟ ⎥
c⎝c⎠
⎣ ⎝c⎠ ⎦
k −1
k
Fuerzas actuantes sobre la pala de la Turbina Eólica
CURVAS DE POTENCIA
1600
M i co n150 0 / 6 4
P generada [kW]
1400
1200
M i co n10 0 0 / 54
1000
800
V est as6 0 0 / 4 2
600
400
200
0
0
3
6
9
12
15
V viento [m /s]
18
21
24
27
Energía Producida
Recurso Eólico
Turbina
CURVAS DE POTENCIA
1600
M i c o n15 0 0 / 6 4
Pgenerada[kW
]
1400
1200
M i c o n10 0 0 / 5 4
1000
800
V est as6 0 0 / 4 2
600
400
200
0
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
V vie nto [m /s ]
TE modernas para
Producción de Elect.
TE para Parques
-orden de los MW-
TE aislada de la red
100-5000 W
TE de eje vertical
Parque Eólico Actual: on y offshore
Sistemas Híbridos: Diferentes sistemas
tecnológicos que aprovechan diferentes energías
para producir electricidad. Redes Inteligentes.
BIOMASA (masa biológica)
Es toda materia orgánica reciente de origen vegetal y
animal, procedente de cosechas, bosques y animales,
incluyendo los materiales procedentes de su transformación
natural o artificial (BM natural, residual, producida).
Como los combustibles fósiles, la biomasa natural es un
“almacén”de energía solar. Los vegetales crecen
“capturando el sol” mediante el proceso de fotosíntesis.
La fijación del carbono en plantas verdes:
CO2 + H20 + Energía Solar Æ Glucosa + O2 + H2O
Participa de un 10%-11% del consumo mundial de E primaria
(consumo de leña en los PVD). Este consumo en general está
fuera de la comercialización clásica.
Los combustibles derivados de la biomasa ÆBIOCOMBUSTIBLES:
¾ Materia orgánica forestal y/o agrícola (madera, pellets, astillas,
bagazo, cáscara de arroz,hueso de aceituna, etc. ) Æ
Combustible para generar calor.
caldera
pellet
estufa
Central Térmoeléctrica usando Biomasa
Digestor anaerobio de la Granja
San Ramón en Requena (Valencia).
Costo: 1200-2000 [U$S/kW instalado] y 4-6 [cU$S/kWh]
¾ Materia orgánica (heces animales, residuos agrícolas)Æ acción de
bacterias metanogénicas en ambiente anaeróbico (biodigestor)Æ
biogas Æ Combustible para generar calor.
Biocarburantes:
¾Caña de azúcar, remolacha Æ proceso de fermentación anaeróbica de
azúcares Æ bioetanol o alconafta (alternativo
a la nafta).
¾ Aceite de maíz, soja, girasol Æ proceso de transesterificación de
aceites vegetales Æ biodiesel (alternativo al dieseloil).
ENERGIA DE LAS OLAS
El viento sopla sobre el océano Æ olas.
Las olas resultan de procesos muy complejos.
Están caracterizadas por su altura, longitud de onda,
velocidad de propagación, forma, densidad del agua.
Sistema Pelamis (Serpiente de Mar)
Sistema de Boyas
ENERGIA MAREOMOTRIZ
Energía producida por el movimiento cíclico de las masas oceánicas
sobre la costa (mareas).
La Rance,240MW
Se construye un embalse conectado al mar a través de aberturas
(donde se disponen Turbinas tipo bulbo) controladas por válvulas.
Se las cierra para que se establezca una h conveniente entre
embalse y mar, y se las abre para permitir que el agua fluya en
forma alternada por las turbinas, produciendo energía.
ENERGIA GEOTERMICA
Su origen no es el sol, sino el calor interno de la Tierra por desintegración de
elementos radiactivos.
Se realizan perforaciones de hasta 5000 m para encontrar vapor o agua caliente
(se usan también geisers y grietas).
El vapor y/o agua se purifican en boca de pozo Æ proceso de transformación Æ
el vapor pasa por las turbinas Æ se condensa y se reinyecta al pozo.
ALGUNAS CONSIDERACIONES
¾ La energía es esencial para el crecimiento socioeconóm.
y para toda una gama de objetivos de desarrollo conexos,
por lo que su consumo continuará incrementándose.
¾ El 25% ≈ de la población vive en países desarrollados, pero
consume en el orden de 70 % de la energía mundial produci.
¾ Unas 1600 millones de personas no tienen electricidad.
¾ Los GEI no actúan sólo donde se generan, sino que
impactan en forma global. El mundo subsidió y subsidia
a los que más contaminan.
¾ Para reducir las emisiones de GEI:
-Desarrollar las NTER.
-Apoyar políticas de eficiencia y ahorro energético.
-Mejorar la tecnología que usan combustibles fósiles.
¾ Las NTER se insertarán con mucho más fuerza en el futuro
mediato y a largo plazo, en función del precio de los combus.
fósiles, de su escasez y de la toma de conciencia del CC
En nuestro Sistema Tierra siempre
tuvieron lugar profundos cambios.
El problema radica fundamentalmente,
en saber cual es el valor de la siguiente relación:
Velocidad con que los cambios ocurren
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Velocidad con que se adaptan los entornos sensibles
Cuando el numerador comienza
a ser mayor que el denominador:
Estamos en serios problemas.
UNA DE LAS CONSECUENCIAS DE LA DEFORESTACIÓN
MUCHAS GRACIAS
Jorge Augusto González
[email protected] ; [email protected]
Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología
Universidad Nacional de Tucumán