Ingeniería de La Conversión de Energía diciembre 2019 Ing. Manuel Rodríguez Perazza Catedrático Jubilado Profesor de Conversión Avanzada de Energía INEL/ICOM Colegio de Ingenieros y Agrimensores de Puerto Rico
EDUCACIÓN CONTINUADA 29 de abril de 2008diciembre 2019
Colegio de Ingenieros y Agrimensores de Puerto Rico
¿Qué es la Energía y de dónde proviene? • Universo infinito en
tiempo y espacio
• Universo está en Expansión
• Causa de la Expansión del U. Sensible es la emisión de partículas
por las estrellas. Esto también produce efectos
gravitacionales.
• Toda Actividad crea aumento en Entropía
• Flujo de Energía es esencial para su utilización
• Todas las fuentes de energía son calóricas
Prueba de Expansión – cascarón de prueba del Universo • Volumen de
cascarón = 42 DR
• Si vas al doble de la distancia, el cascarón tendrá volumen
4(2)2DR, 4 veces el anterior. Tendría 4 veces el Núm de estrellas.
Estando a 2 veces
la distancia, la Luz se atenuaría
por factor de 4.
R
Prueba de expansion - continuada
• Habiendo un número infinito de cascarones la aportación total
sería infinita y no existiríamos.
• El Universo, al estar en expansión, hace que mientras más lejana
una Estrella, más se reduzca su frecuencia aparente de luz por
efecto de Doppler y menor será su aportación de energía, hasta
llegar a cero en el borde del Universo Sensible, en el que ya se
alejan a la velocidad de la luz. El “Universo Sensible” es
finito.
La Energía Eléctrica
• ¿Qué es electricidad?
• ¿Impedancia? Z = V/I
• Primarias • Directamente del Ambiente, Sol, Mareas, Carbón
Vegetal, Geotérmica, Viento, Gravitación, son “Renovables” – No
Convencionales – Costo económico más alto que convencionales
• Secundarias • Almacenadas en la Tierra, Fósiles, Físiles,
Fisionables,
solo existe un inventario finito de ellas – Convencionales – costo
económico menor
Efectos ambientales de la Conversión de Energía • Contaminación
térmica directa o indirecta
• Cambio en albedo Terrestre
• Consumo de materiales de su fabricación
• Algunos materiales son sumamente tóxicos, si se liberan en
incendios, o a los vecinos al trabajarse su minería.
• Emisiones en operación regular, si con combustibles
• Uso de terrenos y Efecto Estético
• Daños a vida acuática o terrestre
Requisitos para ruedas de agua o para aeroturbinas - Primarias •
Agua almacenada a altura mayor que la máquina
en caso hidro
• Constancia de los vientos, o aguas en movimiento
• Fuera de rutas migratorias
Energía Primaria extraída de agua
• Ruedas de agua movidas por peso del agua
Reynolds = , =
Arrastre
Energía Primaria extraída de fluídos • Aeromotores de
arrastre
Ruedas de agua por arrastre
masa
• Válida si sólo hay flujo estable, no hay fricción y el fluido es
incompresible.
• Dada la complejidad de los casos reales de turbinas, donde hay
flujo variable, hay fricción viscosa y en el caso de aire, es
compresible, se usan modelos experimentales en túneles de
viento
Turbinas de agua o vapor
• Aspas con sección capaces de aprovechar fuerzas aero, o
hidrodinámicas
• Las hay de Flujo axial
• Las hay de Flujo transversal
• Convencionales de agua usan desniveles de lagos o represas.
Experimentales usan desniveles de mareas en lugares donde estas son
significativas.
Turbinas de vapor en caso de fuentes renovables • Fuentes
geotermales accesibles y lejos de zonas
con vida
• Diferenciales de temperatura de mar considerable en caso de
océanotermal
Secciones Aero, o Hidrodinámicas reciben fuerzas de arrastre y de
sustentación:
= =
Turbinas de Vapor de agua, u otro
• Las convencionales usan vapor de agua generado por quema de
combustibles o energía nuclear.
• Las hay diseñadas para operar en diferenciales de temperatura
oceanotermales (45F), que usan amonia como fluido de trabajo en un
ciclo de Rankine, rechazando calor en el mar. Estas usan cloro para
evitar la biocontaminación y lo dejan en el agua.
Turbinas de vapor – Flujo transversal
Turbinas de vapor – Flujo axial
Aerogeneradores - Criterios
• Velocidad de los vientos tiene variación con localidad, elevación
y tiempo
• Eficiencia de Conversión depende de la Razón
61%, real típico 20 – 30 %.
• Consideraciones estructurales: Fuerzas – Arrastre y sustentación,
momento de inercia,
vibraciones, gigantismo, durabilidad
Aerogeneradores – Criterios 2
• Costos al usuario y al ambiente • Uso intenso de Materiales
• Ruidos, vibraciones al suelo, riesgo de desplome o lanzamiento de
proyectiles, daños a fauna del aire
• Aspectos Geopolíticos y estéticos
Aerogeneradores Criterios 3
• Eficiencia máxima con una paleta, no funcional, debido a
vibraciones transversales al eje.
• Con dos paletas tiene menor eficiencia, pero solo sufre esfuerzos
cíclicos de pandeo, al cambiar de dirección, por la diferencia en
momentos de inercia a lo largo de las paletas y transversal al
largo de las paletas.
• Con tres paletas la eficiencia es aún menor, pero son más
resistentes, por no sufrir de vibraciones transversales al eje o
pandeos.
Tipos de Aeroturbinas
• Generación eléctrica comercial son de tres paletas. Compite
favorablemente con otras fuentes a velocidades de viento del orden
de 18 mph. A velocidades de viento inferiores los políticos los
subsidian.
• Para uso agrícola y vientos de menor velocidad, tienen`que tener
múltiples paletas para torque adecuado. En general se usan para
bombear agua.
Aeroturbinas – Darrieus, Savonius, dos o tres palas, baja
eficiencia
Modernos: Eficiencia teórica máxima 61%, típica 20%
Conversión convencional
• Ciclos de Brayton, Ciclo de Rankine, Ciclo de Otto, Ciclo de
Diesel
• Dependen de calor generado por combustión de combustibles fósiles
o por energía nuclear.
• Actualmente generan la fracción principal de la energía eléctrica
en el mundo.
• No tienen problemas de disponibilidad por variaciones
ambientales.
• Son inherentemente resistentes a desastres naturales.
Turbinas de Gases de Combustión
• Ciclo de Brayton se usa abierto en motores de avión, usando
queroseno, o en plantas eléctricas quemando derivados de petróleo o
gas natural.
• Se puede usar en ciclo combinado con máquinas de vapor, que son
Ciclo de Rankine.
• Para tolerar temperaturas más altas en turbinas de aviación se
usan palas de cerámica.
• Experimentales usando aceites vegetales nuevos o de rechazo
(biodiesel)
Variación del Coeficiente de Capacidades de Calor “k”, en
Brayton
Turbinas de Gas: Max típica = 44%
k = cp /cv
Combustibles fósiles
Energía nuclear
Turbinas de Vapor – Ciclo de Rankine
Turbinas de Vapor
• Se usan a solas, usando como Fuente de vapor calderas energizadas
por combustibles fósiles o energía nuclear, o en combinación con
turbinas de Ciclo de Brayton, las cuales le proveerían calor a su
caldera.
• Experimental con energía solar, oceanotermal, basura, aceites
reciclados, gases de descomposición de orgánicos y Biomasa.
Turbinas de Gas o Vapor
• Efectos ambientales variados por emisiones de Fuente de
calor
• Contaminación térmica en el rechazo de calor al ambiente
• Costo de operación conveniente.
Combustión interna: Ciclos de Otto y Diesel • En Otto, se provoca
la combustión con chispa.
Motores de gasolina.
Efic de 20 a 30 porciento
• En Diesel, se provoca la combustion por alta compresión. Motores
Diesel.
Efic de 30 a 40 porciento
Conversión Directa de Energía
• Se anticipaba eficiencias mayores, al reducir el número de pasos
requeridos para la conversión
¿Qué son semiconductores?
Los semiconductores son los elementos puros del grupo 4, con
impurezas del grupo 5, son (n), o impurezas del grupo 3, son (p), o
combinación de materiales del grupo 3 y del grupo 5, para los
cuales, la proporción del 3 al 5 define el tipo (n), o (p)
El carbón es grupo 4, pero su conductividad alta a temperatura de
ambiente lo hace inútil como semiconductor.
Generadores Termoeléctricos
• Termoeléctrico – flujo de calor a electricidad- uso en espacio
profundo o aplicaciones terrestres usando calor de isótopos
radioactivos de desperdicios nucleares o reactores pequeños (SNAP).
Usa Efecto de Seebeck: se hace fluir calor a través de una Junta
“np” y esto genera electricidad. Eficiencias del 8 al 10% para
monoseleniuro de estaño. (SnSe) Este ha reemplazado los de Telurido
de Plomo (PbT) en usos terrenales. El plomo es altamente tóxico y
el telurio no es abundante. El estaño y el selenio si lo son. El
efecto inverso es Peltier. Se aplica electricidad y actúa como
bomba de calor. Se usa en automóviles para enfriar vasos en la
consola.
Esquemático de un TEG
Generadores Termoiónicos
• Termoiónico – emisión de electrones de un electrodo (Cátodo)
caliente, que se absorbe en un electrodo frío (Ánodo), creando
diferencial de voltaje. Se propuso para reactores nucleares.
Requiere cámara al vacío alrededor de los elementos de combustible
nuclear calientes (Cátodo), con casquillo exterior en fluido de
enfriamiento (Ánodo).
• Se experimenta mejorar eficiencia con controles de carga
eléctrica y con el uso de energía solar. Pequeños al presente, del
orden de 20 mW.
• Los hay pequeños experimentales de muy baja potencia (20mW).
Eficiencias alcanzadas cerca del 10 %
Un Generador Termoiónico
• Efecto Piezoeléctrico ocurre por conversión de presión a
electricidad, en ciertos cristales y algunas cerámicas.
• Materiales usuales son: cuarzo, turmalina, etc; hay
ferroeléctricos: tantalato de litio, nitrato de litio, berlinita
(AlPO4) estos en monocristales, tras ser polarizados.
• Se usan con costo ventajoso en encendedores para gas, micrófonos
de guitarras eléctricas, bocinas de alta frecuencia (“tweeters”).
En inverso, tenenos el Sonar y Generadores de ultrasonido.
Generadores Fotovoltaicos
• Fotovoltaico – convierte energía radiante a electricidad, uso en
placas solares o en sensores. Se expone un par semiconductor “np” a
la radiación solar y esto libera cargas eléctricas móviles en la
capa expuesta, que migran por difusión a la capa oscura, creando un
diferencial de voltaje,
Se añade un circuito externo para dar paso y uso a la electricidad
generada.
Las eficiencias FV teóricas y las realizadas
Celdas Combustibles
• Celdas combustibles Se transforma energía química a electricidad
- Requieren combustibles “muy limpios”. Se ha propuesto hidrógeno.
La eficiencia lograda es 32 porciento y se anticipant más altas.
Alto costo.
• El hidrógeno tiene que ser producido por electrólisis, u otros
métodos intensos en consumo de energía, lo que hace su uso
impráctico para el mundo real.
Esquemático de Celda Combustible
Esquemáttico de generador Magnetohidrodinámico (MHD) •
Magnetohidrodinámica
Principio físico usado en MHD
• Fuerza sobre un electrón moviéndose en un campo magnético.
• F= qvXB
MHD resumido
• Magnetohidrodinámica requiere pasar un fluido ionizado, a
velocidad por un ducto, a través del cual, pasa, en dirección
transversal, un campo magnético intenso.
La ionización de gases requiere altas temperaturas, del orden de
3000 K, mínimo, afectando los materiales expuestos.
Los materiales magnéticos pierden su propiedad a altas temperaturas
del orden de 1043 K para hierro
Se pueden añadir “semillas” de potasio al gas de combustion para
facilitar su ionización.
MHD continuado
El uso de “semillas” en MHD requiere la remoción de éstas, al final
del túnel de la boquilla, para reducir su impacto ambiental.
El calor para ionizar el gas se obtendría quemando combustibles
fósiles con bajo contenido de hidrógeno, tal como carbon
gasificado, lo que requeriría su purificación.
El MHD no ha sido exitoso funcionalmente, ni económicamente.
Resumen de Resultados para Conversión Directa • Costo Económico y
Efectos ambientales
• Alto costo económico
• Algunos con muy baja eficiencia de conversión
• Los que usan semiconductores son compatibles con energía solar, o
nuclear. La energía solar es variable por lugar y tiempo.
Repaso de Conversión de Energía
• Todo uso de energía aumenta la entropía del Universo
• Si la energía no fluye no se puede extraer
• La energía fluye de mayor densidad hacia menor densidad
• Todas las fuentes de energía y métodos de conversion afectan el
ambiente al usarse
• La Conversión Convencional es más resistente a eventos
ambientales.
Repaso continuado
• Las máquinas convencionales de generación muestran costos de
operación más bajos que las no convencionales..
• Los generadores fotovoltaicos y los aergeneradores tipo moderno,
tienen costos reales cercanos a competitividad, en comparación con
máquinas convencionales, siendo todavía más altos y del orden de 3
veces.
• La energía solar termal es competitiva.
Repaso continuado
• Por la baja densidad de la energía del viento y de la energía
solar, el uso de materiales para su fabricación es intenso.
• En el caso de los semiconductores, se usan materiales escasos y
que si son liberados al ambiente por fuegos, o en su minería, son
tóxicos. Ej: Boro, Fósforo, Arsénico, Silano, Galio, Telurio,
Cadmio, etc.
¿PREGUNTAS?