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Fuentes Fuentes ““alternativasalternativas””de energde energííaa
L. A. Horta NogueiraUNIFEI (Brasil) y CEPAL
CEPAL Curso MARNEMayo de 2009
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Fuentes “Alternativas” de EnergíaContenido
Energía: conceptos, recursos y fuentesEnergía solarEnergía eólicaPequeñas centrales HidroelectricasBioenergías (a parte)
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ENERGÍA : Conceptos
Definiciones de energía...
“ energía es lo que permite un cambio en la configuración de un sistema, en oposición a una fuerza que resiste a eso cambio.”
Maxwell, 1872
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Energía es la capacidad de promover cambios
Sin energía no hay cualquier actividad, energía es vida, es evolución.
El consumo de energía es que hace que el tiempo avanze.
ENERGÍA : Conceptos
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Las varias caras de la energía
– energía nuclear e atómica– energía eléctrica– energía química– energía térmica (energía interna e radiación)– energía mecánica (potencial e cinética)– otras...
ENERGÍA : Fuentes y formas energéticas
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Valores de la energía asociada a sistemas reales (J)
Energía total emitida por el Sol durante 24 horasRadiación solar recibida por la Tierra durante 24 horasEnergía química en los recursos globales de carbón mineralEnergía química en la cobertura vegetal terrestreEnergía química fijada en un ano en la vegetación terrestreEnergía térmica e mecánica en un huracán típicoEnergía eléctrica total anual en descargas atmosféricas Una buena cosecha en un hectárea de maíz (8 ton)Consumo anual de gasolina de un coche compactoEnergía química en un barril de petróleoEnergía química en la alimentación diaria de un hombre adultoEnergía química en una botella de vino blancoEnergía cinética en una pelota de tenis servida a 25 m/s
3,0 x 1032
5,5 x 1024
2,0 x 1023
2,0 x 1022
2,0 x 1021
3,8 x 1019
3,2 x 1018
1,2 x 1011
4,0 x 1010
6,5 x 109
1,0 x 107
2,6 x 106
1,5 x 101
Fuente: Smil, 2004
ENERGÍA : Fuentes y formas energéticas
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Conversiones energéticas posibles
Energiade Radiação
EnergiaElétrica
EnergiaMecânica
EnergiaTérmica
EnergiaQuímica
EnergiaNuclear
Bateria/Célula de Combustível
MúsculoTubo catódico, lâmpada fluorescente
Atrito
Máquina Térmica Dínamo, Alternador
Resistência
Reator NuclearTermopilha
Motor Elétrico
Coletor SolarIncandescência
A i
Célula Fotovoltáica
Eletrólise
Reação Exotérmica, Combustão
Reação Endotérmica
Fotossíntese
Quimioluminescência
ENERGÍA : Fuentes y formas energéticas
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Las conversiones energéticas se rigen por dos sencillas leyes físicas...
– ConservaciónEn los procesos de conversión,Energía no se crea, Energía no se destruye...
– DegradaciónLos procesos de conversión energéticason parcialmente irreversibles...
ENERGíA : Leyes básicas
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ENERGíA : RenovabilidadRenovabilidad: corresponde a la posibilidad física de reposición, mediante procesos naturales y en escalas de tempo humanas, de las reservas asociadas a una fuente energética.
Las energías renovables comprenden las energías primarias basadas en la radiación solar incidente sobre la Tierra (energía hidráulica, eólica, solar, bioenergías, de las ondas, etc.) e otras energías renovables “no solares”, como la energía geotérmica y de las mareas.
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Las energías no renovables incluyen las energías de estoque o fósiles, como petróleo, gas natural y los materiales de interés para reaccione atómicas o nucleares.
Las energías renovables pueden ser utilizadas esencialmente para: - producción de electricidad en sist. interconectados- producción de electricidad para sistemas aislados- producción de biocombustibles
ENERGÍA : Renovabilidad
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Los sistemas energéticos sostenibles deben “satisfacer las necesidades de las actuales generaciones sin comprometer las futuras, atendiendo al equilibrio social e ecológico bien como las necesidades de los mas pobres” (Comisión Brundtland, 1980)
Determinar la sostenibilidad de un sistema energético no es una tarea simples y depende no apenas do vector energético, mas fundamentalmente do contexto de su producción y utilización.
Es posible identificar la renovabilidad como un atributo de la fuente energética e la sostenibilidad como un atributo de la cadena energética de los vectores energéticos.
ENERGÍA : Sostenibilidad
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La renovabilidad es una las condiciones de la sostenibilidad, necesaria pero no suficiente. Una definición tentativa podría ser:
Sostenibilidad: posibilidad de los sistemas energéticos operaren estables y productivos, con impactos ambientales aceptables, sin consumir las reservas naturales, en un marco de factibilidad económica y aceptabilidad social.
ENERGÍA : Sostenibilidad
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Preliminarmente y siempre recordando la importancia de los contextos de producción y uso, se puede decir que: Energías solar, eólica, geotérmica: en principio son renovables y sostenibles, debiendo la sostenibilidad ser evaluada localmente. Energía hidroeléctrica: potencialmente renovable y sostenible, mereciendo las centrales de gran capacidad evaluar con cuidado su real sostenibilidad.Bioenergías: los biocombustibles, pueden ser considerados renovables cuando el carbono emitido en su combustión es mayormente reabsorbido en el proceso fotosintético de producción de la materia prima. La sostenibilidad depende de cada caso.
ENERGÍA : Sostenibilidad
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ENERGÍAS RENOVABLES: Perspectivas
La transición (o el retorno...) para las fuentes renovables de energía ocurre de manera diferenciada, dependiendo de la disponibilidad de recursos, de las necesidades y de la evolución tecnológica.
Fuente: Shell, 1998
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Consumo mundial de energía em 2006
Radiación solar absorbida por la Tierra en un año
Reservas de carbón
Reservas de gas natural
Reservas de petróleo
Reservas de uranio
Fuente: Sauer, 2008, elaborado com dados de:BP Statistical Review 2005
Energia Solar - Wolfgang PalzAgência Internacional de Energia Atômica (*) estimativa
ENERGIAS RENOVABLES: Recursos globales
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ENERGÍAS RENOVABLES: curva de aprendizaje
1990
2000
1981
1985PV
(1981-2000)PR = 77%
1995
1985
2000
1981 1990
Eólica(1985-2000)PR= 88%
1981
1989
1995CCGT
(1989-1995)PR = 81%
2000
19851980
2002
Etanol (1980-1985)PR = 93% 1990
100
1000
10000
100000
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Capacidade instalada acumulada (PV, Eólica, CCGT)
US$
/kW
(PV,
Eól
ica,
Tur
bina
s a
gás
cicl
o co
mbi
nado
)
Preço pago aos produtores de etanol (Out.2002) U
S$/m3
10
1 100 1000
10000 100000 1000000
1
10
100
1000
Etanol (1985-2002)PR = 71%
Eólica(1981-1985)PR = 99%
CCGT(1981-1989)PR 104%
Fuente: Moreira, 2004
Volume acumulado de etanol produzido (mil m3)
19Fuente: UNDP, 2007
Las inversiones se han incrementado de forma relevante en los últimos años.
Es diversificada la origen de los capitales, con cresciente utilización de mecanismos financieros sofisticados (venture capital, private equity and public market)
ENERGÍAS RENOVABLES: inversiones globales
20Fuente: UNDP, 2007
La energía eólica, los biocombustibles y la energía solar respondieran por 80% de las inversiones observadas en 2006.
La parte más relevante de las inversiones identificadas ocurrieran en los países desarrollados. Sin embargo, en los últimos años China y Índia empezan a se destacar.
ENERGÍAS RENOVABLES: inversiones globales
24Espectro Solar
Energía SolarRadiación Solar
Intensidad: plano de la órbita: 1370 W/m2
superficie terrestre (máxima): ~1200 W/m2
superficie terrestre: (promédio): 240 W/m2
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Radiación SolarMedición y componentes de la radiación
Piranômetros miden la radiación global
Radiación directa y indirecta
Fuente: CRESESB, 2005
Energía Solar
27Fuente: INMET/LABSOLAR, Brasília, 2004
Energía SolarRadiación Solar
Disponibilidad de energía solar
Amount of solar energy KWh/day on an optimally tilted surface year.
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Energía SolarTecnologías térmicas
Sistemas de calentamiento de aguaEspecialmente en las regiones de clima adecuado, con periodos fríos con alta radiación, esos colectores permiten reducir de manera importante la demanda de combustibles y/o electricidad para calentar agua en residencias.
Sistemas con coletores solares para calentamiento de agua
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Energía SolarTecnologías térmicas
Sistemas solares térmicosEjemplos de aplicación
Sistemas com coletor solar para aquecimento de água
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Tecnologías térmicasCentrales eléctricas solares
Todavía en desarrollo, estas tecnologías podrán cumplir un importante rol en el suministro de energía a largo plazo.
CSP Concentrated Solar Power System
Energía Solar
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Tecnologías fotovoltaicaPor el efecto fotovoltaico (Becquerel,1839), la luz absorbida enun semiconductor produce un voltaje entre las haces de eso material. Las células fotovoltaica son producidas utilizando silicio como semiconductor, y pueden ser monocristalinas, policristalinas o amorfas, con diferentes costos y eficiencia.
Energía Solar
Célula monocristalina (15-18% efic.)
Célula policristalina (12% efic.)
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Tecnologías fotovoltaicasSistemas solares fotovoltaicos
Módulos de células fotovoltaicas
Componentes de sistemas fotovoltaicos
Energía Solar
3535
Evolución de la tecnología fotovoltaicaEn los últimos años ha sido significativa la expansión de la capacidad instalada en sistemas fotovoltaicos, particularmente en los países desarrollados. China, Japón y Alemania son los principales productores
Capacidad instalada global en sistemas fotovoltaicos
(Energy & Capital, 2008)
Producción de células fotovoltaicas(Solarbuzz, 2008)
Energia EólicaOrigem do vento
A energia cinética das massas de ar em circulação é uma forma de energia solar, já que é o aquecimento diferencial do Sol sobre a Terra que dá origem às diferenças de pressão, causa dos ventos locais ou globais.
Padrão de temperaturas dos oceanos
Circulação Atmosférica
zona equatorial de baixas pressões
ar quente ar frio
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Potência do Vento
A energia cinética do vento é elevada.Uma quantidade de ar com 44 m de diâmetro e 1 m de espessura (ao nível do mar e 15º C, sua densidade é 1,25 kg/m3) pesa aproximadamente 1,9 t. Para uma velocidade do vento de 12 m/s a potência de uma turbina eólica nessas condições será cerca de 1,5 MW .
Energia Eólica
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Energia EólicaVento
Potencial eólico:– total : 370 EJ/ano
– aproveitável: 122 TW
Potência de fenômenos naturais tornado típico : 1,7 GW
tempestade : 75 a 600 GW
furacão : 120 a 580 TW
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Vento
A velocidade do vento varia constantemente em valor absoluto e direção, devendo ser medida com precisão.A média do cubo e o cubo das médias...
Energia Eólica
Comportamento do vento em um sítio off-shore
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VentoAs velocidades médias de interesse situam-se tipicamente acima de 6 m/s, devendo ser considerada uma altura mínima de 20 m para o cubo da hélice.A velocidade do vento é bastante influenciada pelas condições da superfície e se incrementa com a altura logaritmicamente.Em parques eólicos, sugere-se manter um afastamento de 5 diâmetros laterais e 10 diâmetros entre duas fileiras de máquinas.
Energia Eólica
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Velocidade média anualAtlas do Potencial Eólico
Brasileiro, 2001
Potencial eólico no Brasil (1)
Energia Eólica
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Potencial eólico no Brasil (2)
Variância da média anualAtlas do Potencial Eólico
Brasileiro, 2001
Energia Eólica
Potencial eólico de ALC
Energia Eólica
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Componentes de uma turbina eólica típica
Máquinas eólicasEnergia Eólica
Multiplicador de uma turbina eólica de 1,5 MW
(ver catálogo Vestas)
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Centrais eólicasCapacidades e custos das turbinas eólicas
Energia Eólica
Para as condições européias os custos de capacidade situam-se ao redor de 1.000 US$/kW, mas no Brasil podem ser até 30% mais elevados. As torres correspondem tipicamente a 20% do preço de uma turbina eólica montada, estimando-se em 10 mil dólares cada 10 metros adicionais de torre.Nas condições usuais de projeto, os fatores de capacidade para as máquinas eólicas ficam entre 20 a 35%.
Relação diâmetro/potência para máquinas eólicas típicas
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Máquinas eólicas de grande porte (exemplos)
Energia Eólica
Nordex 2,5 MW, diâmetro de 80 m, torre de 80 m.
Bonus 2 MW, diâmetro de 72 m, torre de 60 m.
NEG Micom 2 MW, diâmetro de 72 m, torre de 68 m.
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Centrais eólicas de grande porte (tendências)
Energia Eólica
1. Incremento da capacidade das turbinas
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Centrais eólicas de grande porte (tendências)Energia Eólica
2. Incremento da capacidade das centrais
Central Eólica de Horns Rev, Dinamarca160 MW (80 x 2 MW, 20 km²) em operação desde 2002
235 MW (95 x 2,3 MW + 15 MW em 3 máq.) em comissionamento operar em 2009
4.000 MW planejados para 2020
Evolução da capacidade instaladaEnergia Eólica
Partindo de níveis praticamente nulos em 1990, a capacidade instalada em geração eólica no mundo ultrapassou 50 GW em apenas 5 anos.
Fonte: Global Wind Energy Council, 2008
Atualmente, 13 países possuem capacidades instaladas
superiores a 1 GW em sistemas de energia eólica.
Evolução da capacidade instaladaEnergia Eólica
A capacidade total instalada em centrais eólicas atingiu 129 GW no final de 2008, correspondendo a 1,5% da produção global de energia elétrica.
Em valores para o final de 2008, os Estados Unidos eram o principal mercado para a energia eólica, com 25,2 GW de capacidade instalada, vindo a Alemanha em seguida, com 23,9 GW instalados.
Estima-se que a capacidade instalada em centrais eólicas atinja pelo menos 2 mil GW em 2020.
Fonte: Global Wind Energy Council, 2009
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Aspectos econômicos
Composição de custos em uma central eólica de 5 MW
Energia Eólica
Influência da velocidade média do vento sobre o custo da energia gerada
(British Wind Energy Association, 2007)
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Aspectos econômicosEnergia Eólica
Evolução do investimento unitário em projetos eólicos (US$/kW) (Base: Mercado Norte-americano - 2006)
Central de São Tomé, PA (Prof. Pinho, UFPA)
Aplicações:Sistemas híbridos eólico-solar-dieselPara os sistemas isolados, uma alternativa pode ser o uso de sistemas que combinem as disponibilidades complementares das diversas formas energéticas.
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AplicaçõesMicrocentral Hidrelétrica Boa EsperançaDelfim Moreira - MGLocalizada em propriedade agropecuária dedicada àprodução de truta e turismo rural, situada à 6 km da linha de transmissão, com 25 kW.Dados da instalação:
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A microcentral abastece a sede da propriedade, quatro chalés para turistas, um restaurante e uma serraria.
O sistema está operando a mais de dez anos sem problemas e a manutenção é muito simples. O custo de implantação foi de aproximadamente R$ 15.000,00.
Existem excedentes de energia que poderiam ser comercializados.
Microcentral Hidrelétrica Boa EsperançaDelfim Moreira - MG
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Tomada d’água
Comporta desarenadora
Comporta
Microcentral Hidrelétrica Boa EsperançaDelfim Moreira - MG
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Canal de AduçãoBarragem, T. d’água e Canal de Adução
Vertedor extravaso
r
Grade
Microcentral Hidrelétrica Boa EsperançaDelfim Moreira - MG
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Canal de Adução e Câmara de Carga
Conduto forçado
Conduto
Forçado
Microcentral Hidrelétrica Boa EsperançaDelfim Moreira - MG
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Casa de Máquinas Grupo Gerador
Gerador
Saída do gerador
Microcentral Hidrelétrica Boa EsperançaDelfim Moreira - MG
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Minicentral Hidrelétrica Bortolan Poços de Caldas – MG
Q[m3/s]
H[m]
Pel
[kW]Turbina Gerador
7 12 715 Tubular S(axial)
Síncrono
Aproveitando um reservatório para uso múltiplo, a usina pertence ao DME - Departamento Municipal de Eletricidade de Poços de Caldas e opera sincronizada à rede. Possui uma turbina de alta eficiência e um conduto forçado de 71,4 m.
Dados da instalação:
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Condutos Forçados
Válvula dispersora
Futura ampliação
Minicentral Hidrelétrica Bortolan Poços de Caldas – MG
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Conduto Forçado
Blocos de apoio
Bloco de ancoragem
Minicentral Hidrelétrica Bortolan Poços de Caldas – MG
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Turbina Tubular S
Grade
Pás do Distribuidor
Rotor Hélice
Gerador
Minicentral Hidrelétrica Bortolan Poços de Caldas – MG