Energías Renovables. Juan Peire UNED

Transcripción

1 Energías Renovables Juan Peire UNED

2 ENERGÍA SOLAR

3 ENERGÍA SOLAR Origen (1) El Sol es el origen de la energía solar y de las otras fuentes renovables de energía Esta estrella es un enorme reactor de fusión nuclear que transforma parte de su masa en energía de acuerdo con la ecuación de Einstein, E=m c 2, donde E es la cantidad de energía liberada cuando desaparece la masa m; c es la velocidad de la luz. El Sol emite al espacio energía en forma de radiación electromagnética, la cual puede desplazarse en el vacío, es decir, no requiere medio material para propagarse.

4 ENERGÍA SOLAR Origen (2) De la enorme cantidad de energía que emite constantemente el Sol, una parte llega a la atmósfera terrestre en forma de radiación solar Así, pues, el 47,5% de la radiación llega efectivamente a la superficie de la Tierra por tres vías: Radiación directa Radiación difusa. Radiación reflejada o albedo

5 ENERGÍA SOLAR Origen (3) Radiación directa. Es la radiación que incide sobre los objetivos iluminados por el Sol sin haber interaccionado con nada y sin cambiar de dirección (es la más importante en un día soleado) Radiación difusa. Es una radiación que incide indirectamente, como reflejo de la radiación solar que es absorbida por el polvo y el aire (es la radiación típica de los días nublados) Radiación reflejada o albedo. Es la radiación procedente de la reflexión de la radiación directa en los elementos del entorno (es importante cerca del mar y de las zonas con nieve)

6 ENERGÍA SOLAR Potencial (1) La distribución de la energía solar que llega a la Tierra no es uniforme. En la caracterización de la radiación solar incidente en la Tierra, con el objeto de estimar el potencial solar, intervienen diversos factores. Las condiciones climatológicas, que influyen en el grado de nubosidad, la turbidez atmosférica, viento predominante, etc. Época del año. La latitud del lugar. Orientación de la superficie receptora.

7 ENERGÍA SOLAR Potencial (2) Juan Peire UNED

8 ENERGÍA SOLAR Potencial (3) La perpendicularidad de los rayos solares es mayor en verano que en invierno (αv<αi). Por este motivo, la energía total incidente es muy superior en verano que en invierno.

9 ENERGÍA SOLAR Potencial (4) La Tierra describe un movimiento de traslación alrededor del Sol según una órbita elíptica en la que éste ocupa uno de los focos. El plano que contiene esta órbita se denomina plano de la eclíptica. El eje polar, sobre el que gira la Tierra, está inclinado respecto del plano de la eclíptica un ángulo de 23,45º El ángulo formado por el plano ecuatorial de la Tierra con la recta imaginaria que une los centros de el Sol y la Tierra, denominado declinación solar (δ), varía entre +23,45º( solsticio de verano) y -23,45º( solsticio de invierno).

10 ENERGÍA SOLAR Potencial (5) Los rayos inciden con menor perpendicularidad a medida que aumenta, en valor absoluto, la latitud del lugar, L.

11 Juan Peire UNED ENERGÍA SOLAR Potencial (6) Medida Para medir la radiación solar que llega en cada momento a un lugar determinado se utilizan diversos aparatos Piroheliómetros, que miden la radiación directa Piranómetros, que miden la radiación global (directa más difusa) (W/m 2 )

12 ENERGÍA SOLAR Tecnología (1) La tecnología actual que se utiliza para captar la energía solar directa y convertirla en una forma eficiente de energía se ha desarrollado en dos direcciones:

13 ENERGÍA SOLAR Tecnología (2) Conversión térmica (1) La tecnología de conversión térmica absorbe la energía solar y la transforman en calor. Mediante esta tecnología es posible también obtener indirectamente electricidad mediante la transformación del calor con una máquina termodinámica. La energía solar pasiva se aprovecha mediante el acondicionamiento pasivo de los edificios siguiendo las pautas de la llamada arquitectura bioclimática. Los edificios se diseñan (materiales y tipos de cerramientos, orientación del edificio y ventanales, colores, tipos de cubiertas, etc.) de manera que aprovechen óptimamente las condiciones ambientales del entorno, (entre las que se encuentran la energía solar disponible), para disminuir el consumo de energía convencional sin renunciar a los niveles de confort demandados.

14 ENERGÍA SOLAR Tecnología (3) Conversión térmica (2). Energía solar pasiva

15 ENERGÍA SOLAR Tecnología (4) Conversión térmica (3) Energía solar activa Baja Temperatura (B. T., T<90ºC). ) Se suele destinar al calentamiento de agua, por debajo de su punto de ebullición, para uso como agua caliente sanitaria. Los subsistemas empleados en esta tecnología dependen del tipo de instalación.

16 ENERGÍA SOLAR Tecnología (5) Conversión térmica (4) Energía solar activa B. T. (2) Las instalaciones cuya función es producir agua caliente sanitaria se pueden clasificar en: Instalaciones de circuito abierto. En estas instalaciones existe un único circuito de agua. Este utiliza como fluido el agua de la red, la cual se la hace pasar por el colector solar para calentarla y después se almacena a la espera de su uso. Por tanto, no requiere subsistema intercambiador. Instalaciones de circuito cerrado. En este tipo de instalación existen dos circuitos interconectados por un subsistema intercambiador. El circuito primario, compuesto por el colector solar, cede el calor al circuito secundario, compuesto por el subsistema acumulador, en el intercambiador térmico.

17 ENERGÍA SOLAR Tecnología (6) Conversión térmica (5) Energía solar activa B. T. (3) Instalaciones de circuito abierto.

18 ENERGÍA SOLAR Tecnología (7) Conversión térmica (6) Energía solar activa B. T. (4) Instalaciones de circuito cerrado.

19 ENERGÍA SOLAR Tecnología (8) Conversión térmica (7) El subsistema de captación de esta tecnología está constituido, generalmente, por los denominados colectores solares térmicos planos o paneles solares térmicos planos, pertenecientes al grupo denominado sin concentración, es decir, a aquellos que utilizan la energía solar con la misma intensidad con la que ésta incide.

20 ENERGÍA SOLAR Tecnología (9) Conversión térmica (8) Los colectores planos captan la energía solar, transformándola en energía térmica e impidiendo su salida al exterior (efecto invernadero). Constan, de forma general, de:

21 ENERGÍA SOLAR Tecnología (10) Conversión térmica (9) Subsistema de acumulación El subsistema de acumulación, normalmente compuesto por tanques fabricados con acero tratado, tiene por finalidad almacenar el calor para suministrarlo en el momento en que sea solicitado. Subsistema intercambiador. El subsistema intercambiador independiza el agua que circula por el captador, del agua de consumo.

22 ENERGÍA SOLAR Tecnología (11) Conversión térmica (10) Energía solar activa Media Temperatura (90ºC<T<400ºC) (1) La tecnología solar térmica de media temperatura suele tener dos aplicaciones diferentes: La producción de calor en procesos industriales. Por ejemplo, vapor a temperaturas superiores a lo 150ºC. La generación de electricidad mediante la conexión del fluido caliente (hasta 400ºC) utilizado por los colectores a un sistema convencional de producción de electricidad a partir de un ciclo térmico.

23 ENERGÍA SOLAR Tecnología (12) Conversión térmica (11) Energía solar activa M.T.(2)

24 ENERGÍA SOLAR Tecnología (13) Conversión térmica (12) Energía solar activa M.T.(3) El subsistema de captación de esta tecnología está constituido, generalmente, por los denominados colectores de concentración. Con estos colectores se logra que la radiación solar caliente a media temperatura un fluido primario o fluido caloportador El colector de concentración cilíndrico-parabólico es el más extendido.

25 ENERGÍA SOLAR Tecnología (14) Conversión térmica (13) Energía solar activa Alta temperatura (T>400ºC) La tecnología solar térmica de alta temperatura suele destinar fundamentalmente a la generación de energía eléctrica.

26 ENERGÍA SOLAR Tecnología (15) Conversión térmica (14) Energía solar activa Alta temperatura (2) El subsistema de captación de esta tecnología debe conseguir altos factores de concentración y mínimas pérdidas. Estos objetivos se intentan lograr utilizando concentradores de foco puntual. Existe variedad de concentradores puntuales, sin embargo, son dos los más destacados, aunque aún se encuentran en fase experimental: Discos parabólicos. Constituidos por espejos parabólicos de revolución en cuyo foco se ubica el receptor solar Centrales de torre. Consiste en una serie de espejos orientados, denominados helióstatos, que reflejan la radiación sobre una caldera situada en una torre central.

27 Juan Peire UNED ENERGÍA SOLAR Tecnología (16) Conversión térmica (15) Energía solar activa Alta temperatura (3) Discos parabólicos.

28 Juan Peire UNED ENERGÍA SOLAR Tecnología (17) Conversión térmica (16) Energía solar activa Alta temperatura (4) Discos parabólicos.

29 ENERGÍA SOLAR Tecnología (18) Conversión eléctrica (1) La tecnología de conversión eléctrica permite la transformación directa de la energía solar en energía eléctrica. La energía solar fotovoltaica se basa en la utilización de células solares o fotovoltaicas La células son fabricadas con materiales semiconductores cristalinos que, por efecto fotovoltaico, generan corriente eléctrica cuando sobre los mismos incide la radiación solar. El silicio es la base de la mayoría de los materiales más ampliamente utilizados en el mundo para la construcción de células solares.

30 ENERGÍA SOLAR Tecnología (19) Conversión eléctrica (2) La energía solar fotovoltaica (2) De forma general, pueden señalarse los siguientes subsistemas componentes empleados en esta tecnología:

31 ENERGÍA SOLAR Tecnología (20) Conversión eléctrica (3) La energía solar fotovoltaica (3) El subsistema de captación está constituido por el panel fotovoltaico, el cual tiene como función convertir la radiación solar que incide sobre él en electricidad.

32 ENERGÍA SOLAR Tecnología (21) Conversión eléctrica (4). La energía solar fotovoltaica (4) Subsistema de almacenamiento El subsistema de almacenamiento tiene como función almacenar la energía eléctrica generada que no está siendo utilizada por el consumidor, ya que al ser la radiación solar variable no podría garantizarse, en el caso de ausencia de este subsistema, el suministro de energía en todo momento El sistema de almacenamiento esta compuesto por baterías conectadas en serie o en paralelo. Subsistema de regulación El subsistema de regulación tiene como función evitar que las baterías reciban más energía que la máxima que estás son capaces de almacenar y prevenir las sobrecargas que agotarían en exceso la carga de las misma.

33 ENERGÍA SOLAR Tecnología (22) Conversión eléctrica (5). La energía solar fotovoltaica (5) Subsistema convertidor El subsistema convertidor de corriente es el encargado de adaptar la energía producida por el panel fotovoltaico o la almacenada en las baterías, que es de tipo continuo, al tipo de energía, continua o alterna, solicitada por las cargas. En el caso que la carga requiera consumir corriente alterna, el convertidor consiste en un inversor, el cual transforma la tensión e intensidad continua en tensión y corriente alterna.

34 ENERGÍA SOLAR Costes (1) En el caso de instalaciones para uso unifamiliar (3-8 usuarios), en el que se utilicen equipos compactos para calentamiento de agua (2m 2-4m 2 ), la inversión aproximada oscila entre y 2.400, suponiendo un aporte energético entre 70% y 80%. A estos costes es necesario añadir los costes asociados al mantenimiento, aproximadamente un 1% de la inversión inicial, y el coste del consumo de la fuente energética auxiliar. A título de ejemplo, para una instalación fotovoltáica de 2.200W, conectada a la red eléctrica, con una producción media estimada de 3.740kWh/año, el coste del kwh producido puede estimarse en 0,33 Sin embargo, para una instalación de 1.000W, aislada de la red,con una producción media de 1.700kWh/año, el coste del kwh generado se elevaría hasta 0,7.

35 ENERGÍA SOLAR Costes (2) En el caso de instalaciones mayores, la inversión se distribuye en los porcentajes:

36 ENERGÍA SOLAR Impacto ambiental La principal consecuencia medioambiental del uso de la energía solar es el efecto positivo producido por la sustitución de combustibles fósiles. La utilización de la energía solar térmica en la mayoría de las ocasiones está asociada al entorno urbano. En este entorno, el impacto visual probablemente constituye el único aspecto negativo que se le puede asociar a esta tecnología. Los aspectos negativos de la energía solar fotovoltaica aislada de la red son mínimos y estarían relacionados con el impacto visual. Los aspectos negativos de la energía solar fotovoltáica de grandes dimensiones conectadas a la red eléctrica es necesario tener en cuenta el impacto paisajístico que las mismas pueden ocasionar, debido al suelo ocupado (10-15m 2 por 1.000W) y a los tendidos eléctricos que se requieran instalar.

37 ENERGÍA SOLAR Situación actual. El calentamiento de agua para uso domestico es la principal área de los sistemas solares activos. De los estudios estadísticos realizados se desprende que la producción mundial de módulos solares fotovoltaicos se ha multiplicado x 11 de 1983 (18MW) a 1999 (200MW), siendo el crecimiento medio anual en el periodo , de 14,5%. En España, la capacidad instalada en 1998 fue de 8MW, de los que 5,92MW correspondían a instalaciones aisladas y 2,08MW a instalaciones conectadas a la red. En Las Islas Canarias se prevé que entre se instalen 6,75WM de sistemas fotovoltáicos.

38 ENERGÍA EÓLICA

39 ENERGÍA EÓLICA Potencial. Estimación Teóricamente la potencia que existe en una corriente de aire a su paso a través de un área A viene dada por: P = 12ρAV 3 Siendo: P Potencia en W ρ Densidad del aire en kg/m 3 A Superficie en m 2 V Velocidad del viento en m/s

40 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (1) Para aprovechar la energía cinética del viento se emplean turbinas eólicas. El primer molino de viento que se conoce con cierto detalle es el molino persa de eje vertical. Este molino se utilizaba para moler grano y fue de uso corriente en la antigua Persia, posiblemente varios siglos antes de nuestra era

41 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (2) Las máquinas eólicas han experimentado una considerable y larga evolución durante un periodo de más de 2000 años. Desde las primeras máquinas conocidas hasta el siglo XV la evolución es lenta y de escaso desarrollo técnico.

42 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (3) En el periodo comprendido entre el comienzo del Renacimiento y el comienzo de la Revolución Industrial se multiplican las invenciones que utilizan las ruedas hidráulicas o los molinos de viento como fuerza impulsora.

43 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (4) Desde mediados del siglo XIX hasta mediados del siglo XX se desarrolla la teoría aerodinámica y otras ciencias de carácter técnico, lo que origina que las máquinas eólicas sufran una completa transformación. A partir de la segunda mitad del siglo XX hasta nuestros días se producen importantes modificaciones de carácter técnico, que se traducen en la utilización de materiales más ligeros y resistentes, y el empleo de sistemas electrónicos de regulación y control.

44 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (5) Las turbinas eólicas destinadas a la producción de electricidad se denominan aerogeneradores. De forma general pueden señalarse los siguientes subsistemas componentes de los aerogeneradores: Subsistema de captación. Subsistema de transmisión mecánica Subsistema de generación eléctrica. Subsistema de orientación Subsistema de regulación Subsistema soporte.

45 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (6) El subsistema de captación es el encargado de transformar la energía cinética del viento en energía mecánica de rotación. Está integrado por el rotor, el cual se compone de las palas y del buje.

46 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (7) Las palas Aunque históricamente se han utilizado una gran variedad de materiales para la fabricación de las palas (telas, maderas, chapas metálicas, aluminio), los materiales más utilizados actualmente son las resinas de poliéster reforzadas con fibras de vidrio, los cuales proporcionan ligereza, resistencia mecánica y una cierta resistencia a la agresión del medio ambiente

47 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (8) El buje es el elemento soporte de las palas y está montado en un extremo del árbol principal de transmisión. En función de la rigidez de movimiento de la unión de las palas al buje en la dirección perpendicular al plano del rotor, los bujes se clasifican en: Rígidos: Las palas se atornillan al buje y este se une rígidamente al árbol principal de transmisión. Basculantes (usados principalmente en rotores bipalas). El buje admite pequeños movimientos de pivote con el objeto de equilibrar las cargas aerodinámicas.

48 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (9) En función de la posición del eje de giro del rotor las máquinas eólicas se clasifican en: Máquinas de eje horizontal. Máquinas de eje vertical Las de eje vertical, debido a su bajo rendimiento, prácticamente han desaparecido del mercado actual.

49 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (10) Dependiendo del número de palas de los rotores éstos se clasifican en: Rotores multipala (o rotores lentos), con un número de palas comprendido entre 6 y 24. Los rotores multipala giran a baja velocidad y se han destinado tradicionalmente al bombeo de agua.

50 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (11) Dependiendo del número de palas de los rotores éstos se clasifican: Rotores tipo hélice (o rotores rápidos), que pueden ser: Tripala (el más utilizado), bipala y monopala. Los rotores tipo hélice giran a mayores velocidades y presentan mejores rendimientos aerodinámicos que los rotores multipala, por lo que se suelen destinar a la generación de electricidad. Tripala Bipala Monopala.

51 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (12) En función de la disposición del rotor frente a la velocidad del viento estos pueden clasificarse en: Rotores de barlovento (los más frecuentes) Rotores de sotavento o autoorientables, cuyas palas presentan una cierta inclinación respecto del plano de giro de tal manera que el rotor al girar describe un cono.

52 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (13) Dependiendo que el rotor permita que cada pala pueda girar o no respecto a su respectivo eje longitudinal los rotores se clasifican en: Rotores con palas de paso variable. Éstos permiten regular más adecuadamente la potencia generada por la máquina eólica y es utilizado en prácticamente todos los aerogeneradores de mediana y alta potencia. Rotores de paso fijo.

53 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (14) La potencia mecánica que una turbina eólica es capaz de extraer de la energía cinética del viento depende fundamentalmente del diámetro del circulo barrido por las palas y del rendimiento aerodinámico del rotor (que depende de la forma aerodinámica de la pala). El número de palas prácticamente no tiene influencia en el rendimiento cuando se utilizan más de tres palas (especialmente cuando se trata de rotores rápidos)

54 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (15) El subsistema de transmisión mecánica se sitúa entre el subsistema de captación y el subsistema de generación. En la mayoría de los diseños de aerogeneradores la velocidad de giro del subsistema de captación es menor que la velocidad a la que debe girar el generador eléctrico. Por este motivo es necesario incluir una caja multiplicadora de la velocidad y un árbol de transmisión secundario que una dicha caja al generador.

55 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (16) El subsistema de generación eléctrica está constituido básicamente por el aerogenerador. Este está formado por una máquina eléctrica encargada de transformar la energía mecánica de rotación en energía eléctrica.

56 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (17) Para transformar la energía mecánica de rotación de la turbina en energía eléctrica se utilizan generadores eléctricos. El generador puede ser de corriente continua (dinamo) o de corriente alterna (alternador). Estos últimos son los únicos que actualmente se utilizan en los aerogeneradores de mediana y alta potencia. El generador puede ser de: Corriente continua (dinamo) no suelen usarse Corriente alterna (alternador) pueden ser: Síncronos (más frecuentes) Asíncronos

57 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (18) El alternador está compuesto de dos partes fundamentales: El rotor o inductor móvil, encargado de generar un campo magnético variable al girar arrastrado por la turbina El estator o inducido fijo, en el que se genera la corriente eléctrica. Corriente de excitación en forma de corriente continua

58 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (19) El subsistema de orientación es el encargado de detectar la dirección del viento y situar el plano del rotor perpendicular en esa dirección. Prácticamente todas las máquinas eólicas de eje horizontal necesitan de un subsistema de orientación. Entre los subsistemas de orientación más utilizados actualmente se encuentran las veletas o colas de orientación, utilizadas en máquinas de pequeña potencia,

59 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (20) Los servomotores que detectan la dirección del viento mediante una veleta y orientan a la máquina mediante motores de orientación situados en la base de la góndola.

60 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (21) Las máquinas que disponen de rotor a sotavento no necesitan subsistema de orientación, ya que el propio viento puede orientarlas debido a las fuerzas aerodinámicas que origina la conicidad del rotor. Viento

61 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (22) El subsistema de sustentación está constituido por la góndola y la torre. La góndola está formada por el bastidor, en el que se montan los distintos subsistemas de la máquina eólica, y la carcasa que, diseñada de forma aerodinámica, los protege de los agentes atmosféricos.

62 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (23) La torre es el elemento encargado de elevar el rotor de la máquina respecto del nivel del suelo. La altura mínima de la torre está condicionada por el diámetro del rotor del subsistema de captación y la altura máxima por el coste y la dificultad de instalación. Aunque las primeras torres de sustentación que se utilizaron en los aerogeneradores eran de estructura de celosía actualmente es más frecuente el uso de torres tubulares cilíndricas o troncocónicas de acero (fundamentalmente) u hormigón.

63 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (24) El subsistema de control y regulación tiene la misión incrementar la captación de energía cinética del viento, mejorar la potencia eléctrica generada y garantizar un funcionamiento seguro de la máquina. Para ello el subsistema de control supervisa el funcionamiento de la máquina eólica y gestiona las secuencias de arranque, parada, etc., además de controlar al subsistema de orientación, regular la potencia captada del viento y producida por el aerogenerador. La mayoría de las máquinas eólicas modernas disponen de rotor de paso variable, por lo que disponen de dispositivos que permiten girar la pala alrededor de su eje longitudinal con el propósito de controlar la potencia y velocidad de giro del rotor y frenar aerodinámicamente el subsistema de captación en caso de avería. Asimismo, las máquinas eólicas están equipadas con frenos mecánicos con el objetivo de mantener bloqueado el árbol de transmisión durante la operaciones de puesta en marcha y mantenimiento, además de ayudar al frenado dinámico durante los procesos de parada de emergencia.

64 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (25) Juan Peire UNED

65 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (26) Las aplicaciones de los aerogeneradores pueden clasificarse en dos grupos: Aerogeneradores conectados a la red eléctrica de distribución general: Instalaciones de un único aerogenerador Instalaciones que cuentan con una agrupación de varios aerogeneradores a la cual se le denomina parque eólico. Aerogeneradores aislados, es decir, no conectados a la red eléctrica general.

66 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (27) En los parques eólicos los aerogeneradores deben distanciarse unos de otros, de tal manera que no sean un obstáculo a la captación del viento por la máquinas ubicadas detrás de ellos.

67 ENERGÍA EÓLICA Tecnología (28) Las instalaciones aisladas suelen realizarse en zonas muy alejadas del trazado de la red eléctrica. Normalmente estas instalaciones se dimensionan para satisfacer un determinado consumo, se ubican en la proximidad del lugar de consumo y precisan de sistemas de almacenamiento (baterías, depósitos de agua, etc.) donde guardar la energía eléctrica generada, en el caso de aerogeneradores, o de agua impulsada, en el caso de que la energía generada sea mecánica. En el caso que la instalación aislada deba satisfacer un consumo importante de energía eléctrica y de forma permanente se recurre, normalmente, a las instalaciones híbridas eólico-diesel, las cuales constan de aerogeneradores interconectados a grupos diesel.

68 ENERGÍA GEOTÉRMICA

69 ENERGÍA GEOTÉRMICA Origen (1) A la energía interna de la Tierra se le denomina energía geotérmica y se la incluye dentro del grupo de energías renovables, ya que la disipación del calor almacenado requeriría el transcurso de millones de años La energía interna de la Tierra procede del calor acumulado en su núcleo durante el proceso de formación del planeta (hace aproximadamente millones de años) y, fundamentalmente, de las radiaciones emitidas por la desintegración atómica de elementos químicos radiactivos (uranio 238, torio 232, potasio 40, etc.) presentes en el interior de la misma. El calor almacenado en el interior de la Tierra es más elevado en el núcleo (alrededor de 7.000ºC) y de menor intensidad en la corteza Sin embargo, en sectores de la corteza terrestre pueden existir masas de material a gran temperatura En estas zonas se dice que existen yacimientos geotérmicos, los cuales, a veces, se manifiestan en la superficie de distintas formas

70 ENERGÍA GEOTÉRMICA Origen (2) Para representar la estructura interna de la Tierra existen dos modelos: el modelo geoquímico y el modelo dinámico Estos clasifican a la estructura de la Tierra desde la superficie hasta su centro, el cual se encuentra a una profundidad de 6.371km, en función de su composición química y de la rigidez y plasticidad, respectivamente.

71 ENERGÍA GEOTÉRMICA Origen (3) A nivel global del planeta, a medida que se profundiza en la corteza terrestre, la temperatura suele aumentar aproximadamente 3ºC cada 100m.

72 ENERGÍA GEOTÉRMICA Origen (5) Aguas termales

73 ENERGÍA GEOTÉRMICA Origen (8) Juan Peire UNED

74 ENERGÍA GEOTÉRMICA Potencial (1) Se estima que este recurso energético supone unos 30 millones de Teravatios. Sin embargo, solo es aprovechable una pequeña parte. Muchas áreas del mundo disponen de recursos geotérmicos accesibles, especialmente regiones del denominado Anillo de Fuego, áreas que bordean el Océano Pacífico, zonas de la falla continental y otros puntos calientes

75 ENERGÍA GEOTÉRMICA Potencial (2) Juan Peire UNED

76 ENERGÍA GEOTÉRMICA Potencial (3) Para que exista un yacimiento geotérmico, según las investigaciones geológicas, geofísicas y geoquímicas realizadas en una gran cantidad de sistemas geotérmicos, se requiere que se den una serie de circunstancias: Presencia de una fuente de calor. Esta fuente, generalmente, está constituida por un cuerpo de magma situado a una profundidad razonable, desde el cual se trasmite el calor a las rocas circundantes Presencia de agua. El yacimiento debe ser susceptible de ser recorrido por una corriente de agua. Esta agua puede haberse infiltrado en el subsuelo, a través de fracturas o rocas permeables, hasta alcanzar la profundidad necesaria para ser calentada por la fuente de calor. También es posible que el agua sea inyectada por el hombre artificialmente desde la superficie. Presencia de un depósito. El volumen de este depósito lo proporciona rocas permeables situadas a una profundidad, accesible mediante perforaciones, donde se almacena el agua caliente o el vapor, que son los medios para transportar el calor. Existencia de una cubierta impermeable. Su presencia es necesaria para impedir que los fluidos se escapen hacia el exterior del yacimiento.

77 ENERGÍA GEOTÉRMICA Potencial (4) Teniendo en cuenta cuestiones relacionadas con la presencia o no de agua, del estado de la misma (líquido, vapor), de las condiciones en que esta se encuentre (alta o baja presión), y de la estructura geológica del yacimiento, éstos pueden clasificarse en: Sistemas hidrotérmicos Sistema geopresurizados Sistemas de roca caliente seca.

78 ENERGÍA GEOTÉRMICA Potencial (5) Los sistemas hidrotérmicos disponen de agua en su interior, normalmente procedente de deshielos o de la lluvia. Suelen encontrase a profundidades comprendidas entre 1km y 10km. Estos son los únicos sistemas que han superado las etapas de investigación y desarrollo experimental, encontrándose, actualmente, en la etapa de explotación comercial En función de la fase en que se encuentre el agua se clasifican en: Sistemas con predominio de vapor de agua. Sistemas con predominio de agua líquida.

79 Qué es la climatización geotérmica? Una bomba de calor geotérmica es una bomba de calor que utiliza el suelo para funcionar en condiciones de temperatura más favorables comparadas con el aire La climatización geotérmica utiliza bombas de calor geotérmicas para producir calefacción, refrigeración y agua caliente Cambio climático y Juan Peire sus consecuencias UNED jpeire@ieec.uned.es

80 Estructura de una BCG Afectación térmica del terreno El suelo se calienta. Cambio climático y Juan Peire sus consecuencias UNED jpeire@ieec.uned.es

81 Algunas consideraciones importantes Las bombas de calor geotérmicas permiten una ahorro sustancial de energía (alrededor de un 50%) Ahora bien, hay que diseñar el sistema correctamente para que el suelo pueda absorber o ceder el calor adecuadamente La bomba de calor geotérmica utiliza, en parte energía renovable del sol, cedida al suelo Cambio climático y Juan Peire sus consecuencias UNED jpeire@ieec.uned.es

82 Comparativa energética 0,64 kwh Central el. Petróleo Carbón Gas 1 kwh Cambio climático y Juan Peire sus consecuencias UNED jpeirer@ieec.uned.es 1,08 kwh 0,36 kwh 0,36 kwh BCG 1,44 kwh 200 m2 0,36 kwh 5000 kwh Eléctrico 0,36 kwh 0,72 kwh 0,36 kwh Aire/Agua Aire/Aire 1 kwht 0,85 kwh 0,15 kwh Caldera Fuel/Gas 3470 kwh kwh 6950 kwh 5900 kwht

83 Sistemas relacionados con la BC Cambio climático y Juan Peire sus consecuencias UNED jpeirer@ieec.uned.es -Disponibilidad (lagos/mar) -Trabas Legislación? -Limite potencia -Caudal suficiente -Trabas Legislación? -Reinyección

84 Bucle horizontal buena relación costeprestaciones instalación más sencilla para nuevas construcciones uso del terreno mayor peligro interferencia constructiva, requiere estricta coordinación de obra Cambio climático y Juan Peire sus consecuencias UNED jpeire@ieec.uned.es

85 Configuraciones de bucle horizontal Tipologías en zanja Sistema slinky Cambio climático y Juan Peire sus consecuencias UNED jpeire@ieec.uned.es

86 Bucle vertical minimiza área afectada pozos típicamente de entre 50 y 150 m con material de relleno menor longitud relativa de tubería mayores costes de instalación mayor complejidad de obra(/ingeniería) Juan Peire UNED jpeirer@ieec.uned.es Cambio climático y sus consecuencias La Granda, Asturias 20 a 24 de Agosto de 2007

87 Diseño interior bombas agua-aire o agua - agua + fan coil resultado óptimo con suelo radiante en calefacción instalación interior convencional Cambio climático y Juan Peire sus consecuencias UNED jpeire@ieec.uned.es

88 Clima Aspectos medioambientales Aspectos económicos Elemento fundamental Carga térmica para el diseño (no existen el diseño bueno para todo ) bases de datos climática DISEÑO efecto sobre el comportamiento térmico del Tipología Longitud suelo Suelo Material efecto sobre la carga térmica Esquema del edificio hidráulico Instalación interior Emplazamiento Cambio climático y Juan Peire sus consecuencias UNED jpeire@ieec.uned.es Bomba de calor

89 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS

90 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (1) La biomasa es la energía solar convertida por la vegetación, mediante el proceso de fotosíntesis, en materia orgánica (energía química almacenada)

91 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (2) La fotosíntesis es el proceso metabólico específico de ciertas células de los organismos autótrofos (organismos que en el curso de la evolución aprendieron a usar la energía solar y a transformarla en energía química), por el que se sintetizan sustancias orgánicas a partir de otras inorgánicas, utilizando la energía luminosa. Es decir, la principal característica de la fotosíntesis es la conversión de dióxido de carbono (CO 2 ) y agua (H 2 O) en glucosa (carbohidratos) y oxigeno (O 2 ) bajo la influencia de la luz

92 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (3) La biomasa primaria es vegetal, sin embargo, ésta puede ser transformada por otros seres vivos que se nutren de la misma y generan la denominada biomasa animal o biomasa de los residuos animales. Asimismo, diversas actividades industriales que manejan biomasa vegetal o animal generan subproductos. Por último, los núcleos de población, fruto de la actividad cotidiana de sus habitantes, también generan residuos

93 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (4) En definitiva, la biomasa puede ser producida por:

94 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (5) La explotación de la biomasa natural de los bosques y selvas en cantidades superiores a la capacidad de generación del ecosistema produciría un daño irreparable en el planeta. La biomasa natural no constituye una fuente de energía renovable, si se la explota de forma intensiva, ya que si la velocidad de consumo es mayor que la de su generación se puede provocar su agotamiento.

95 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (6) Los residuos agrícolas se caracterizan por su estacionalidad y pueden ser clasificados en dos grupos: Los residuos herbáceos (plantas verdes, pajas, cascarillas de cereales, tallos, etc.) Los residuos leñosos (restos de podas, ramas, etc.).

96 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (7) Los residuos forestales pueden clasificarse en dos grupos: Los residuos procedentes del proceso de mantenimiento (limpieza de matorrales, podas, etc.) de montes y bosques. Los residuos que se generan en la limpieza de los troncos de árboles, que se talan para ser usados como materia prima en las industrias forestales

97 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (8) Los residuos industriales se generan en un amplio número de sectores industriales, sin embargo, solo las industrias que generan volúmenes considerables de residuos orgánicos son las que podrían presentar interés a la hora de aprovechar la energía de su biomasa. En este contexto, pueden señalarse: Las industrias agroalimentarias y agrícolas. Las industrias forestales

98 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (9) Los residuos sólidos urbanos (RSU) son, según la definición de biomasa residual, una parte de los desechos (basura) que la humanidad genera en su domicilio (restos de alimentos, papel, etc.) Este tipo de residuos se incluyen dentro de la denominada biomasa vegetal, sin embargo, su aprovechamiento energético presenta algunas diferencias con los del resto de la biomasa.

99 Juan Peire UNED ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (10) Cultivos energéticos tradicionales Este tipo de explotaciones presentan el inconveniente de su competitividad con la producción de alimentos Caña de azúcar Remolacha Cereales

100 Juan Peire UNED ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (11) Cultivos energéticos poco frecuentes Este tipo de aprovechamiento no compite con la producción de alimentos Pitas Cardos

101 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (12) Cultivos energéticos acuáticos. Algunas de estas plantas, entre las que se pueden señalar las algas Macrocystis, Nerocystis, en aguas saladas, y el jacinto de agua (Eichornia crassipes), en agua dulce, podrían cultivarse con finalidad energética.

102 Juan Peire UNED ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Origen (13) La biomasa puede ser almacenada antes de su utilización en diversos formatos: Briquetas, que se presentan en forma de cilindros de diámetros comprendidos entre 50mm y 130mm y longitudes en el rango de 50mm. y 300mm. Briquetas Pellets Pellets, que se presentan en forma de cilindros de diámetros comprendidos entre 8mm y 12mm y longitudes en el rango de 30mm a 50mm

103 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Potencial La biomasa se encuentra muy distribuida sobre la superficie de la Tierra, estimándose que la energía anual almacenada por la biomasa es de más de 8 millones de TWh (aproximadamente el 40% de esta energía se genera en ámbito acuático). Actualmente, solo se utiliza una ínfima parte de la energía de la biomasa como fuel.

104 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Tecnología en los R.S.U. (1) Existen varias opciones para eliminar los RSU, entre éstas se encuentra la recuperación energética.

105 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Tecnología en los R.S.U. (2) El proceso de recuperación energética más ampliamente utilizado desde hace décadas es la incineración.

106 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Tecnología en los R.S.U. (3) Transporte Los camiones, una vez recogidos los residuos, se encargan de transportarlos hasta la planta incineradora, donde los vierten en un foso de almacenamiento.

107 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Tecnología en los R.S.U. (4) Vertedero (2)

108 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Costes(1) En el caso de plantas de producción eléctrica alimentadas de biomasa, el coste del kwh generado está ligado a los costes de amortización de la inversión, a los costes de combustible y a los costes de operación y mantenimiento. Entre estos costes, el generado con la adquisición del combustible (biomasa) representa aproximadamente el 50% del coste de la unidad energética generada. A título de orientación podría indicarse que, para una capacidad instalada de 40MW, se precisaría una inversión de 50 millones de euros. Estos costes pueden suponer aproximadamente un 30% de los costes de la unidad energética generada.

109 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Costes(2) Los costes de operación y mantenimiento pueden estimarse para una planta de tamaño medio entre un 16% y un 22% del coste de la unidad energética generada.

110 ENERGÍA DE LA BIOMASA Y DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS Situación actual. Determinados escenarios indican que la biomasa, a mediados de este siglo, podrá contribuir a la energía mundial con aproximadamente 200EJ anuales. Esto podría conseguirse con: El uso de unos 400 millones de hectáreas de tierra (alrededor de un 2,5% de la superficie total de terreno) La recuperación de energía de entre un cuarto y tres cuartos de los residuos El empleo de sistemas de conversión de alto rendimiento, resultado de la mejora de los métodos de combustión y el empleo de técnicas avanzadas para la generación de energía a partir de la biomasa.