DOCTORADO EN CIENCIAS AMBIENTALES

Transcripción

1 DOCTORADO EN CIENCIAS AMBIENTALES CURSO: PRODUCCIÓN MÄS LIMPIA TEMA : ENERGIAS RENOVABLES GENERACION ELECTRICA - USO RACIONAL Jairo Arcesio Palacios P. Ph. D. Grupo de investigación en conversión de energía CONVERGIA Escuela de ingeniería eléctrica y electrónica 1

2 CONTENIDO Energías Renovables Solar Eólica Mareomotriz Hidráulica Geotérmica Biocombustibles - Celdas de combustible - Hidrogeno 2

3 PLAN ESTRATÉGICO Programa de investigación en Energía y Minería ENERGIAS ALTERNATIVAS RENOVABLES 3

4 ENERGIAS ALTERNATIVAS DISPONIBLES EN COLOMBIA ENERGIA SOLAR ENERGIA HIDRAULICA ENERGIA MAREOMOTRIZ ENERGIA EOLICA BIOMASA ENERGIA GEOTERMICA CELDAS DE COMBUSTIBLE HIDROGENO SISTEMAS HIBRIDOS 4

5 ENERGIA SOLAR CAPTACIÓN DIRECTA CAPTACION TERMICA CAPTACION FOTONICA Pasiva Activa Fotoquímica Celdas solares Clima viviendas Colector fijo Biomasa FIJO CALOR ALTA TEMPERATURA Seguimiento ENERGIA QUIMICA Seguimiento ENERGIA ELECTRICA 5

6 Movimiento sobre la ecliptica 6

7 Esquema del cambio de declinación con movimiento del Sol respecto al plano del Ecuador 7

8 Radiación Solar Promedio anual. Unidades: Calorías/cm2 día 11.62Wh/m2 8

9 Valle del Cauca, Cauca, Nariño Recursos Disponibilidad de información de IDEAM, CVC. Estaciones ubicadas en la zona geográfica del Río Cauca. Promedio anual de radiación de Cali 850 Cal/cm2 min. Solo se tiene una evaluación general a nivel nacional basada en las instalaciones del IDEAM, insuficiente para a realización de diseños detallados y confiables. 9

10 ENERGIA SOLAR TERMICA 10

11 CAPTACION TERMICA 11

12 Arquitectura solar 12

13 ENERGIA SOLAR Concentradores 13

14 ENERGIA SOLAR Concentradores 14

15 Atlas Solar Flujograma de ejecución del proyecto. UPME 15

16 ENERGIA SOLAR Valle del Cauca, Cauca, Nariño Uso Potencial Evaluación del recurso en la región Red de monitoreo permanente Captación térmica Precalentamiento de fluidos Refrigeración solar Desalinización de agua Energía eléctrica con Células solares Telecomunicaciones Almacenamiento de energía Señalización de puertos y aeropuertos Alumbrado de viviendas y vías publicas 16

17 ENERGIA SOLAR Establecer red de registro permanente en la región de información sobre Energía SOLAR (Radiación y Brillo Solar) incluyendo costa pacifica. Fomentar el desarrollo de estas tecnologías facilitando incentivos a usuarios y fabricantes nacionales, como en el caso de otros energéticos. 17

18 ENERGIA SOLAR Usos: Térmicos SECADO DE PRODUCTOS AGRICOLAS CAFÉ, FIQUE, YUCA, ETC. CALENTAMIENTO DE AGUA, Colectores MÍNIMO USO DE LA ENERGIA SOLAR. 18

19 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 19

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54 Conclusiones y recomendaciones Colombia tiene un buen potencial energético solar en todo el territorio, con un promedio diario multianual cercano a 4,5 kwh/m2 (destacándose la península de La Guajira, con un valor promedio de 6,0 kwh/m2 y la Orinoquia, con un valor un poco menor). Las isolíneas de radiación fueron definidas con los datos de la red radiométrica del periodo , lo cual permitió establecer una aproximación de la distribución del recurso solar en el país. Considerando las regiones naturales del país, es conveniente ubicar estaciones piloto seleccionadas con criterios energéticos y meteorológicos en cada una de ellas. Estas estaciones deben tener la instrumentación necesaria para medir en las diferentes bandas del espectro, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo; la radiación solar global y sus componentes: directa, difusa, reflejada, total ascendente y descendente, y los demás parámetros meteorológicos, 54

55 Conclusiones y recomendaciones Disponibilidad promedio multianual de energía solar por regiones es: REGIÓN kwh/m2/año GUAJIRA COSTA ATLÁNTICA ORINOQUIA AMAZONIA ANDINA COSTA PACÍFICA Es importante mejorar la distribución de la ubicación geográfica de las estaciones, con criterios de región, altura sobre el nivel del mar y homogeneidad en el cubrimiento del territorio nacional. 55

56 Establecer red de registro permanente en la región de información sobre Energía SOLAR (Radiación y Brillo Solar) incluyendo costa pacifica. Fomentar el desarrollo de estas tecnologías facilitando incentivos a usuarios y fabricantes nacionales, como en el caso de otros energéticos. 56

57 ENERGIA SOLAR INDIRECTA EOLICA MAREOMOTRIZ HIDRAULICA 57

58 Energía eólica Estado actual 58

59 ENERGIA EOLICA Circulación local interna 59

60 ENERGIA EOLICA Circulación local Costera 60

61 ENERGIA EOLICA Recursos necesarios Velocidad 10 mts. Altura (m/s) Efectos en sistemas Eólicos ninguno ninguno 3.6 5,8 Arranque aerobombas Posibilidad de generación Bombeo de agua baja potencia Arranque turbinas pocas palas Generación Potencia útil 1/3 de capacidad Máxima capacidad de generación Producción útil de potencia eléctrica Excelente perspectiva para potencia Solo sistemas robustos 61

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63 Energía Eólica Colombia 63

64 Energía eólica Cómo funciona? Constante de Bentz (59%) Límites por tamaño (5 MW está cerca del límite) Los costes de mantenimiento aumentan con el tamaño La producción es función cúbica de la velocidad del viento 64

65 Energía eólica Cómo funciona? Un campo de clase 3 necesita el doble de generadores de un determinado tipo, para producir la misma energía que un campo de clase 6 65

66 Energía eólica Cómo funciona? 66

67 Energía eólica. Ventajas De las renovables más probadas y competitivas. La TRE es aparentemente superior a la solar. No es muy contaminante, una vez instalada y en según qué niveles 67

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72 POSIBILIDAD DE APROVECHAMIENTO EN COLOMBIA: VENTAJAS Y DESVENTAJAS 72

73 ENERGIA EOLICA 73

74 ENERGIA EOLICA equipo 74

75 ENERGIA EOLICA Valle del Cauca, Cauca, Nariño Establecer red de registro permanente en la región de información sobre Energía EOLICA (Vientos y direcciones) incluyendo costa pacifica Fomentar el desarrollo de estas tecnologías facilitando incentivos a usuarios y fabricantes nacionales, como en el caso de otros energéticos. MÍNIMO USO DE LA ENERGIA EOLICA. 75

76 ENERGIA MAREOMOTRIZ Energía de las olas Energía cinética del agua: Viento Corrientes marinas Energía de las Mareas Energía potencial: Cambios nivel del mar Fuerzas gravitacionales Energía Térmica Gradiente térmico entre la superficie las profundidades mar. 76

77 Energía de las Olas La energía total deberá ser la suma de la energía cinética y la energía potencial 77

78 Rectificador de Russell 78

79 GEO PÉNDULO 79

80 GEO TAPCHAN (NORUEGA) 80

81 El pato (Duck) de Salter 81

82 GEO CILINDRO BRISTOL 82

83 GEO ROMPEOLAS SUMERGIDO GEO ROMPEOLAS SUMERGIDO 83

84 ENERGIA MAREOMOTRIZ Potencial disponible Costa Pacifica: Choco, Valle del Cauca, Cauca, Nariño. Energía potencial: Variación promedio de nivel +/- 4.0 mts. Aprovechamientos: Micro hasta mini centrales en esteros o bocas de los ríos 84

85 ENERGIA MAREOMOTRIZ Valle del Cauca, Cauca, Nariño Recurso Disponibilidad de información de CVC. Carta de Mareas Recurso permanente garantizado independiente de variaciones climáticas. Aprovechamiento conjunto con ríos. 85

86 En Colombia Un primer inventario en el Pacífico colombiano arrojó un potencial de energía mareomotriz de 500 MW. El potencial estimado para los 3000 km de costas colombianas respecto a la energía de las olas es de 30 GW. (Informe UPME) 86

87 Conclusión Desafortunadamente los sistemas de generación mareomotriz todavía se encuentran en etapa de experimentación y han tenido un auge y aplicación a escala lo que impide su masificación a nivel mundial. 87

88 PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELECTRICAS 88

89 Ciclo del Agua 11/03/

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92 Estaciones Hidrológicas 11/03/

93 Turbinas 93

94 ENERGIA HIDRAULICA Pequeños aprovechamientos hidroeléctricos 94

95 ENERGIA HIDRAULICA Pequeños aprovechamientos hidroeléctricos Rehabilitación o repotenciación de pequeñas, mini y microcentrales hidroeléctricas. Identificación y Evaluación de Potencial hidroeléctrico de pequeñas centrales hidroeléctricas. 95

96 Valle del Cauca Usos Aprovechado solo con pocas plantas antiguas y no se tienen proyectos para incremento a mediano plazo a mediano plazo. 96

97 ENERGIA GEOTERMICA Geotermia: Calor Natural existente en el interior de la tierra. Aprovechamiento: Perforación de pozos para generación de electricidad, fabricación de papel, secado, calefacción, etc. 97

98 Explotaciones País Estados Unidos Capacidad Instalada (MW) Generaci ón GWh/año Filipinas México Italia Nueva Zelanda Japón Indonesia El Salvador Nicaragua

99 Yacimientos Geotérmicos Agua dominante. Agua presurizada en estado liquido y pequeñas cantidades de vapor Vapor Dominante Vapor con agua eventualmente 99

100 Elementos necesarios Localización del recurso amenos de 3000m. (técnica y económicamente rentable). Entalpía alta o media ( temperatura mayor a 200 grados C.) para generación Potencial deseable mayor a 15Mw. Bajo contenido de gases Caracterizas corrosivas mínimas 100

101 Proyectos Geotérmicos Colombia Chiles- Cerro negro Proyecto binacional 1987 Azufral. (Tuquerres) 1981 Paipa Iza Macizo volcánico de Ruiz. (CHEC) 101

102 Energía Geotérmica 102

103 Energía Geotérmica 103

104 Energía Geotérmica 104

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106 BIOMASA Tipo de residuo Tratamiento Aprovechamiento Forestales Agrícolas Residuos urbanos Cultivos energéticos Efluentes ganaderos Aguas residuales Urbanas Residuos sólidos Urbanos Trituración, Sin tratamiento Digestión Anaerobia Combustión del Hogar Combustión en motores Excedentes agrícolas Fermentación Alcohólica, extracción 106

107 BIOMASA Recursos Valle del Cauca, Cauca, Nariño Aguas residuales Urbanas: Plantas de tratamiento de aguas residuales. Cali y plantas menores. Efluentes ganaderos Bagazo: Ingenios azucareros Purines: Biodigestores pequeña escala. 107

108 HIDROGENO (H2) 108

109 NUEVAS TECNOLOGIAS DE PRODUCCION DE HIDROGENO HIDROCARBUROS COMO MATERIA PRIMA Proceso autotérmico, Reformado con CO 2, Pirólisis, Captura de CO 2, Pequeños reformadores Alcoholes: metanol y etanol Gasificación con vapor, A PARTIR DE BIOMASA Pirólisis, Fermentación, Empleo de microorganismos Producción de H 2. Reformado de alcoholes 109

110 Electrólisis del agua electricidad H 2 O H 2 + O 2 Método convencional: electrolito alcalino diafragma (para separar los productos gaseosos) Tecnología confiable y ampliamente probada Obtención de hidrógeno libre de óxidos de carbono. Costo de producción fuertemente dependiente del costo de la energía eléctrica El proceso es factible en países con exceso de energía proveniente de: estaciones de generación nuclear existentes eólica sistemas hídricos de gran escala 110

111 A PARTIR DE BIOMASA VENTAJA: Obtención directa de H 2 a partir de biomasa DESVENTAJAS: impurezas de la alimentación disponibilidad de recursos limitada Ninguno de los procesos se encuentra actualmente disponible en forma comercial 111

112 Celdas de Combustible Pilas de membrana polimérica (PEM) 112

113 Pilas de Combustible. Pilas de membrana polimérica (PEM) Historia y Principio de Funcionamiento Principio H 2 de la electrólisis inversa O 2 (1838) Christian Friedrich Schoenbein H 2 O ánodo electrolito cátodo Sir William Grove E = G nf 113

114 Qué son las celdas de combustible? Energía Térmica Energía Mecánica Sistema Convencional Energía Química Celdas de Combustible Energía Eléctrica 114

115 COMPARACIÓN DEL RENDIMIENTO Celdas de Combustible Diesel Gasolina Turbinas de vapor y gas Potencia, KW 115

116 POR QUÉ CELDAS DE COMBUSTIBL Conversión más eficiente del combustible en electricidad Tecnología ambientalmente limpia Reducción de problemas acústicos y térmicos Bajos costos de mantenimiento 116

117 EL INTERÉS ESTA CRECIENDO Alta inversión económica Significativo progreso técnico Los sistemas comienzan a estar disponibles La carrera ya comenzó 117

118 APLICACIONES Móviles Autos, barcos, misiles, etc. Teléfonos, radios, juguetes, etc. Estáticas Generación centralizada Generación distribuida 118

119 Beneficios de las Pilas de Combustible Eficientes en la conversión de energía química en energía eléctrica. Gran eficiencia independientemente de la escala. Confiables y silenciosas, ya que no tienen partes móviles. No se desgastan y proveen energía en forma continua. Flexibles con respecto a diferentes combustibles. Fácil instalación. Simplicidad de escalado respecto a la demanda energética. 119

120 Vehículo con motor de combustión interna CF ó Hidrógeno? 120

121 SISTEMAS HIBRIDOS Aprovechamiento Optimo de Recursos Energéticos Disponibilidad de múltiples fuentes energéticas: Solar, Biogás, Eólica, Minihidráulica o mareomotriz en los municipios. 121

122 SISTEMAS HIBRIDOS 122

123 Cuenca Magdalena Área: Km 2 77% de la población de Colombia vive en la Cuenca del Magdalena (32.5 millones de personas) 123

124 POSIBILIDAD DE APROVECHAMIENTO EN COLOMBIA: COSTOS DE INSTALACIÓN Y GENERACIÓN 11/03/

125 Gracias por la atención prestada. Jairo Arcesio Palacios Peñaranda Ph.D. Grupo de Investigación en Conversión de Energía Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Universidad del Valle 125