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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
Energía eólica Parques eólicos en el mar
9
Energía eólica Parques eólicos en el mar
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
Energía solar térmica Colectores parabólicos
39
Energía solar térmica Colectores parabólicos
40
Energía solar térmica Colectores paraboloides
41
Energía solar térmica Colectores paraboloides
42
Energía solar térmica Colectores paraboloides
43
Central de colectores concentradores Esquema
44
Energía solar térmica Torre central con heliostatos
45
Energía solar térmica Torre central con heliostatos
46
Energía solar térmica Torre central con heliostatos
47
Energía solar térmica Torre central con heliostatos
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
52
Centrales minihidráulicas
• No requieren grandes embalses reguladores • Menor impacto ambiental • Potencia instalada ≤ 10 MW • Realidad en España ⇒ Estancamiento
53
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
56
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
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
Energía geotérmica
• 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
Energía geotérmica
• Manifestación de alteraciones geotérmicas:
Vulcanismo
Alteraciones hidrotermales (géiser)
Emanaciones gaseosas
Fuentes termales y minerales
60
Energía geotérmica
• Tipos de yacimientos geotérmicos:
Sistemas hidrotérmicos
Sistemas geopresurizados
Sistemas de roca seca caliente
61
Sistemas hidrotérmicos
• Fuente de calor a poca profundidad • Estrato de roca permeable que contiene agua • Capa de roca impermeable por encima
62
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
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
Centrales mareomotrices Instalaciones
88
Centrales mareomotrices Instalaciones
• 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
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
Energía de las olas Convertidores atenuadores
• 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