Aspectos generales sobre las tecnologías para explotación de las energías renovables. Ing. Gonzalo Guerrón MSc 08/29/2014 1. ENERGÍA EÓLICA Fuente: www.energia.gob.ec www.iberdrola.com Fuente: www.renovables-energía.com 1. ENERGÍA EÓLICA 1.1 Aerogeneradores Son dispositivos que utilizan la energía cinética del viento para mover un número determinado de palas, transformando la energía mecánica (producida por el movimiento rotacional de las palas) en energía eléctrica. Fuente: www.energia.gob.ec Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro 1. ENERGÍA EÓLICA 1.1 Clasificación de los aerogeneradores Aerogeneradores Eje Vertical Savonius Darrieus Fuente: opex-energy.com Giromill Eje Horizontal Windside Tripala Bipala Monopala 1. ENERGÍA EÓLICA 1.1.1 Eje vertical Los aerogeneradores de eje vertical se caracterizan por tener el eje principal perpendicular a la superficie de suelo. • Savonius Cilindros desplazados respecto a su eje. • Darrieus Consiste en un eje vertical asentado sobre el rotor, con dos o mas finas palas en curva unidas al eje por los dos extremos. Fuente: opex-energy.com • Giromill Consisten en palas verticales unidas al eje por unos brazos horizontales que pueden salir por los extremos del aspa e incluso desde su parte central. • Windside Consiste en un perfil alabeado con torsión que asciende por el eje vertical. 1. ENERGÍA EÓLICA 1.1.2 Eje horizontal Los aerogeneradores de eje horizontal se caracterizan por tener el eje principal perpendicular a la superficie de suelo • Tripala. • Bipala Fuente: opex-energy.com • Monopala 1. ENERGÍA EÓLICA 1.2 Componentes de los aerogeneradores • Subsistema de Captación • Subsistema de transmisión mecánica Tren de potencia (DirectDrive y GearBox) • Subsistema de generación eléctrica Generadores • Subsistema orientación Sensor de velocidad y dirección de viento • Subsistema de regulación Controlador que supervisa la condición de todos los elementos de la turbina • Subsistema soporte Góndola y Torre Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro Rotor, palas y buje 1. ENERGÍA EÓLICA 1.2.1 GearBox o Caja Multiplicadora • Adapta la baja velocidad de rotación del eje del rotor a las mayores velocidades de operación del generador eléctrico. • La relación de transmisión del multiplicador está determinada por su tren de engranajes. Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro 1. ENERGÍA EÓLICA 1.2.2 Direct Drive o Transmisión Directa Es un mecanismo de accionamiento directo que transforma la potencia sin necesidad de una caja multiplicadora. Ventajas • • • • Aumento de la eficiencia Reducción del ruido Mayor vida útil Mayor seguridad Fuente: www.power-eng.com Fuente: www.iie.org.mx/proyectoMEM/docpdf/tecnologia_eolica.pdf 1. ENERGÍA EÓLICA 1.3 Clasificación de aerogeneradores según IEC Clase de la Turbina Vref (m/s) A Iref B Iref C Iref I 50 0,16 0,14 0,12 II 42,5 III 37,5 S Valores especificados por el diseñador Fuente: Omar Herrera et. al, Modelo de análisis de cargas máximas en aerogeneradores producidas por vientos extremos, 2010 2. ENERGÍA SOLAR 2. ENERGÍA SOLAR 2.1 Conceptos de Energía Solar Sistemas Fotovoltaicos Energía Solar Sistemas Captación Finalidad Convertir Generación de electricidad Energía térmica Calefacción Casas, Edificios Fuente: INER/EOLICA www.iner.gob.ec Generación Electricidad 2. ENERGÍA SOLAR 2.2.1 Funcionamiento SFV El efecto fotoeléctrico hace posible que los paneles solares funcionen. Explica el por qué ciertas superficies metálicas emiten electrones al incidir radiación electromagnética. Fuente: FISICA, Serway-Jewett, Vol. 2 2. ENERGÍA SOLAR 2.2.2 Tipos de SFV más comunes Monocristalinas Cristalino Policristalinas Policristalinas de capa delgada Otras Silicio Amorfo Células de capa delgada Células Solares Grupo II-VI (CIS, CdTe) Compuesto Grupo III-V (GaAs, lnp) Otras Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro Células de alta eficiencia 2. ENERGÍA SOLAR • 2.2.3 Sistemas Fotovoltaicos autónomos Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro 2. ENERGÍA SOLAR • 2.2.3 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro 2. ENERGÍA SOLAR 2.2.4 SFV pequeños, casas 1. 2. 3. 4. 5. 6. Fuente: energiaverde.gpodelaconcha.com Panel solar Inversor Caja de breakers Medidor bidireccional Red eléctrica Cargas eléctricas 2. ENERGÍA SOLAR 2.3 Sistemas de Captación Solar La radiación del sol se subdivide en radiación directa, difusa y albedo. La radiación directa se la mide con el piroheliómetro , y la difusa + directa con el piranómetro. Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro 2. ENERGÍA SOLAR 2.4 Conversión Térmica Clasificación de tecnologías de aprovechamiento de energía solar por conversión térmica. Conversión térmica Activa Pasiva Media temperatura Baja temperatura Colectores planos Alta temperatura Agua caliente Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro Eficiencia Energética, Edificios, Casas, etc. Colectores Cilindro-parabólicos Centrales de torre con helióstatos Vapor para generación de electricidad o calefacción 2. ENERGÍA SOLAR 2.4.1 Conversión térmica de baja temperatura Se encuentra en el rango de temperatura (T<90ºC) Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro 2. ENERGÍA SOLAR 2.4.2 Conversión térmica de media temperatura • • • Se encuentra en el rango de temperatura (90ºC<T<400ºC) Puede generar vapor de agua a 150ºC, para usos industriales. Generación de electricidad, se calientan fluidos hasta los 400ºC. Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro 2. ENERGÍA SOLAR 2.4.3 Conversión térmica de alta temperatura • • Se encuentra en el rango de temperatura (T>400ºC) Generación de electricidad, centrales eléctricas. Pueden abastecer energía suficiente hasta para 180.000 personas Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro 2. ENERGÍA SOLAR 2.4.3 SFV grandes, Centrales Planta termosolar Abengoa – Plataforma Solúcar de la Mayor: 11 MW (600.000 Ton CO2) Fuente: studiesandsolutions.wordpress.com 4. BIOMASA 4. BIOMASA BIOMASA Combustión Combustión directa de la biomasa bruta Combustión después de procesos físicos relativamente simples Procesos termoquímicos (biomasa seca) Gasificación Procesos biológicos (biomasa húmeda) Digestión anaeróbica Pirolisis Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro Fermentación alcohólica Otros procesos Esterificación 4. BIOMASA 4.1 Procesos de combustión 4.1.1 Combustión directa La combustión directa es el sistema más antiguo de extracción de energía de la biomasa, el proceso de combustión la materia orgánica (combustible) reacciona químicamente con el oxígeno (carburante) en una reacción exotérmica. Obteniéndose dióxido de carbono, agua y otros Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro 4. BIOMASA 4.2 Procesos de termoquímicos 4.2.1 Gasificación El término gasificación recoge al conjunto de procesos en los que un combustible sólido es oxidado parcialmente para producir un combustible gaseoso, que contiene entre otros componentes CO (monóxido de carbono), CO2 (dióxido de carbono), H2 (hidrógeno), CH4 (metano) y vapor de agua. Fuente: www.multitekingenieros.com/gasificacion_madera 4. BIOMASA 4.2.2 Pirólisis Es el método mas simple y antiguo de procesar un combustible, con el propósito de obtener otro mejor. La pirolisis convencional requiere el calentamiento del material original con la ausencia total de oxigeno. Normalmente el proceso inicia a los 260°C y finaliza a los 450°C – 550°C aproximadamente. Fuente: www.cocogum.org/UMA/cemap/caldera/Generacion%20Electrica.html 4. BIOMASA 4.3 Procesos de biológicos 4.3.1 Digestión anaerobia Fuente: http://www.biodisol.com La digestión anaerobia al igual que la pirolisis se lleva a cabo en ausencia de aire, pero en este caso la descomposición de la biomasa es debido a la acción de bacterias y no a altas temperaturas. Los materiales de la biomasa que alimentan el proceso suelen ser residuos ganaderos, residuos obtenidos de aguas residuales (lodos), y residuos de industrias orgánicas (azucareras, papeleras, etc.). 4. BIOMASA 4.3.2 Fermentación alcohólica Los azucares (hidratos de carbono simples que contienen las plantas pueden transformarse en alcohol por la intervención de determinados microorganismos. Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro 4. BIOMASA 4.4 Fermentación de aceites vegetales La fermentación de aceites vegetales se utiliza para la fabricación de biocombustible (biodiesel). El biodiesel puede ser utilizado como sustituto del gasóleo de automoción. La biomasa mas utilizada para la fabricación de este carburante esta constituida por aceites vegetales convencionales: girasol, colza y soja Fuente: mareslyd.blogspot.co.uk/2012/05/los-combustibles-y-el-transporte.html 4. BIOMASA 4.5 Materia prima para el aprovechamiento de la biomasa. Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro 5. GEOTERMIA 5.1 Sistema Geotérmico – Está compuesto por: • Fuente de calor • Fluido • Reservorio • Cubierta impermeable • Manifestaciones superficiales Fuente: www.proyectoazul.com Geotermia: Conceptos y Aplicaciones 5. GEOTERMIA 5.1.1 Tipos de Sistemas Geotérmicos: Fuente: homework.uoregon.edu/pub/class/162/geothermal.html Geotermia: Conceptos y Aplicaciones • Alta temperatura – >180°C • Media temperatura – 100 - 180°C • Baja temperatura – <100°C 5. GEOTERMIA 5.2 Sistemas convectivos hidrotermales • • Vapor Dominante – Predominancia de vapor seco – Áreas de intrusión magmática – Ocurren a una profundidad menor a los 10 km Líquido Dominante – Se los conoce como de vapor húmedo y son los mas comunes – Temperaturas entre 180°C - 350°C (alta entalpía) – Temperaturas menores a 180°C (baja entalpía) Fuente: www.geothermie-zentrum.de Geotermia: Conceptos y Aplicaciones 5. GEOTERMIA 5.3 Sistemas conductivos hidrotermales • Sistemas Geotérmicos Mejorados – Formaciones de roca con alto contenido energético – Carecen de agua – Se conoce también como Roca Seca caliente (Hot Dry Rock) – Se encuentra a una profundidad de 310km – Temperatura entre 180°C - 300°C Fuente: srren.ipcc-wg3.de Geotermia: Conceptos y Aplicaciones 5. GEOTERMIA 5.4 Usos y aplicaciones del recurso geotérmico • Generación Eléctrica Fuente: followgreenliving.com/geothermal-energy Geotermia: Conceptos y Aplicaciones • Uso Directo 5. GEOTERMIA 5.5 Tipos de centrales de generación Eléctrica • Central flash o de evaporación súbita Fuente: www.deepcorp.ca/turbine-systems Geotermia: Conceptos y Aplicaciones • Central de vapor seco • Central de ciclo binario 5. GEOTERMIA 5.5.1 Esquema conceptual de un sistema de expansión súbita de una etapa: Generación Eléctrica Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro Geotermia: Conceptos y Aplicaciones 5. GEOTERMIA 5.5.2 Esquema conceptual de un sistema de ciclo binario: Generación Eléctrica Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro Geotermia: Conceptos y Aplicaciones 5. GEOTERMIA 5.6 Usos y aplicaciones del recurso geotérmico: Uso Directo Bombas de calor geotérmicas – Utilizan la temperatura constate bajo la tierra (17-21°C) como sumidero de calor – Pueden calentar y/o enfriar una casa usando hasta el 70% menos de energía. – Tienen un coeficiente de rendimiento del 300% – Su instalación no requiere de un trabajo complejo Fuente: local.alternativeconsumer.com Geotermia: Conceptos y Aplicaciones 5. GEOTERMIA 5.6 Marco Teórico • Usos y aplicaciones del recurso geotérmico: Uso Directo • • Aplicaciones Calefacción Geotermia: Conceptos y Aplicaciones • Piso radiante • Agua caliente 6. ENERGÍA MAREOMOTRIZ Fuente: www.geo-termia.com/blog/informacion-general/la-energia-mareomotriz.html 6. ENERGÍA MAREOMOTRIZ 6.1 Definición • Se produce gracias al movimiento generado por las mareas, esta energía es aprovechada con turbinas generando energía eléctrica. Fuente: science.nasa.gov Fuente: www.textoscientificos.com/energia/mareomotriz 6. ENERGÍA MAREOMOTRIZ 6.2 Tecnologías utilizadas – Turbina de barrera de mareas: • Tipo Bulbo: la turbina esta completamente inmersa bajo el agua, su mantenimiento es muy complicado. Fuente: www.textoscientificos.com/energia/mareomotriz 6. ENERGÍA MAREOMOTRIZ Turbina de borde: el generador se encuentra montado en la barrera, en los ángulos rectos de las hélices de la turbina. El rendimiento de este tipo de turbinas es difícil de regular y no son aptas para el uso de bombeo. Fuente: www.textoscientificos.com/energia/mareomotriz 6. ENERGÍA MAREOMOTRIZ Turbina tubular: las hélices están conectadas a un largo eje y orientadas en un ángulo tal que permite que el generador se ubique sobre la barrera y por lo tanto fácilmente accesible para los controles de mantenimiento. Fuente: www.textoscientificos.com/energia/mareomotriz 7. ENERGÍA DE LAS OLAS - UNDIMOTRIZ Fuente: ocel.com 7. ENERGÍA DE LAS OLAS - UNDIMOTRIZ 7.1 Definición Esta energía se puede utilizar para producir electricidad mediante el aprovechamiento de la energía cinética y potencial del oleaje del mar. Fuente: www.dforcesolar.com Fuente: www.felopdesignled.com 7. ENERGÍA DE LAS OLAS - UNDIMOTRIZ 7.3 Clasificación CENTRALES UNDIMOTRICES Ubicación En la costa Posición Fuera de la costa Totalizadores Atenuadores Columnas oscilantes Alerones oscilantes Canales ahusados Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro Wave Dragon Pelamis Archimedes ........ 7. ENERGÍA DE LAS OLAS - UNDIMOTRIZ 7.4 Ubicados en la costa - Fijos Columnas oscilantes Columna de agua y de aire comprimido. Turbina tipo Well. Alerones oscilantes Puerta articulada unida a un cilindro hidraúlico. Fuente: Centrales de energías Ren., Carta, Calero-Libro 7. ENERGÍA DE LAS OLAS - UNDIMOTRIZ 7.5 Fuera de la Costa - Flotante Onda de dragón Aprovecha la altura de las olas mediante grandes reflectores. Turbinas hidraúlicas convencionales. Pelamis Serie de segmentos cilíndricos articulados. Émbolos en las uniones bombean aceite a un motor hidraúlico. Fuente: Centrales de Energías Renovables – José González Fuente: ecomedioambiente.com