Energía renovable/no renovable. Tema4. Energíarenovable. Energía eólica terrestre (on-shore) Energía eólica marina (off-shore)

Transcripción

1 Tema 4 Energía renovable/no renovable Energía renovable Tipos de centrales productoras de energía eléctrica utilizando energía renovable: eólica, solar, hidráulica, térmica de la biomasa y biocombustibles Otras renovables emergentes/minoritarias: Energía geotérmica Energía del hidrogeno y pilas de combustibles Energía marina: undimotriz, mareomotriz, corrientes, termomotriz Funcionamiento Número y situación geográfica en España Potencia instalada y producción Combustible Residuos Desmantelamiento Energía eólica terrestre (on-shore) Energía eólica marina (off-shore) Es el tipo de energía renovable más desarrollada. Genera electricidad a través de la fuerza del viento, utilizando la energía cinética producida por efecto de las corrientes de aire. El viento mueve las palas de un aerogenerador y, mediante un sistema mecánico, hace girar el rotor de un generador que produce energía eléctrica. Los aerogeneradores suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos con el fin de lograr un mejor aprovechamiento de la energía, lo que reduce su impacto ambiental. Un parque eólico tarda en construirse entre 6 y 8 años. Las máquinas tienen una vida útil de 20 años. El tamaño medio de los equipos instalados en la actualidad es de 2 MW, existiendo prototipos de hasta 5 MW. Existen también instalaciones eólicas aisladas para generar energía eléctrica en lugares remotos para auto-consumo. Es muy común que se combinen con paneles fotovoltaicos. En los últimos años se han construido parques eólicos en el mar, las instalaciones off-shore. En el mar la disponibilidad de viento es mucho mayor que en tierra, con la ventaja adicional de que el recurso eólico suele ser más constante, con menos variaciones estacionales. Además, en los países más desarrollados exista ya una cierta saturación de eólica terrestre en cuanto a la disponibilidad de los mejores asentamientos, mientras que el inmenso potencial marino está casi sin explotar. Por ello, se prevé que las instalaciones off-shore alcancen un gran auge en los próximos años, con lo que es posible que se produzca un nuevo impulso a la energía eólica de la mano de los parques marinos. 1

2 Energía eólica: ventajas/inconvenientes Aplicaciones de la energía eólica Tecnología respetuosa con el medio ambiente: no emite de gases de efecto invernadero, no destruye la capa de ozono, no genera residuos peligrosos (restos de combustible, vertidos o materiales radiactivos). Ventajas Fuente de energía autóctona: Evita la dependencia de combustibles procedentes del exterior para garantizar el suministro energético de una determinada zona. Recurso energético inagotable: sin limitaciones que limiten o impidan su utilización futura. Impacto paisajístico y medioambiental. Mayor coste de la energía producida en comparación con otras fuentes (ciclo combinado o nucleares). Irregularidad de la generación eólica debido a la aleatoriedad del viento. Sólo produce cuando existe viento y la energía generada depende de la intensidad del viento en ese momento. Inconvenientes Producción de energía eléctrica en parques eólicos. Se trata de agrupaciones de aerogeneradores que comparten infraestructuras (líneas de evacuación, subestaciones de transformación, accesos y gestión), seguridad, mantenimiento, trámites administrativos, etc. Producción de energía eléctrica en instalaciones aisladas. El aerogenerador tiene una potencia < 100 kw. En la gran mayoría de los casos son sistemas de < 10 kw, suficiente para alimentar una gran variedad de aplicaciones. Suelen incorporar sistemas de almacenamiento de energía (baterías) y paneles solares. Bombeo de agua. Extracción de agua de un pozo subterráneo y almacenamiento en un depósito, para su utilización en diversas aplicaciones (riego de cultivos en la agricultura, suministro de agua de consumo en viviendas o granjas aisladas, etc). Centrales hidro-eólicas de bombeo. Ejemplo de El Hierro (Canarias). Generación y almacenamiento de hidrogeno. Desalación de agua de mar con aerogeneradores marinos. Centrales eólicas Centrales hidro-eólicas 2

3 Tipos de aerogeneradores Aerogenerador de eje vertical Los aerogeneradores comercializados por la industria eólica se clasifican en 2 grandes grupos según la disposición de su eje con respecto a la dirección del viento: de eje vertical: la turbina Darrieus y la Savonius de eje horizontal: los aerogeneradores de los parques eólicos Los de eje vertical son máquinas más simples, que no necesitan sistemas de orientación, pero también son menos eficientes (en velocidad de giro y rendimiento). La turbina Darrieus no puede comenzar a girar desde parada y necesitan un motor. Los de eje horizontal pueden girar a gran velocidad, son más eficientes y pueden situarse a gran altura, con grandes tamaños de rotor, lo que permite que tengan potencias muy elevadas, de hasta 6 MW en la actualidad. Tecnología actual Aerogenerador Darrieus de 2 palas unidas por sus extremos Aerogenerador Savonius sujetado por cables Aerogenerador de eje horizontal Partes de un aerogenerador de eje horizontal 1) Cimentación 2) Torre 3) Góndola 4) Rotor de 3 palas 5) Buje 6) Transformador Existen otros elementos mecánicos y eléctricos: multiplicadora, generador, sistemas de protección frente a fuertes vientos, etc Torre del aerogenerador La torre es el elemento principal de sujeción del aerogenerador. Da estabilidad a todo el sistema y esta sujeta a grandes cargas de viento. Soporta el peso de la góndola y del rotor (cientos de toneladas). Resistencia muy grande. Altura > 70 m para captar el viento de forma eficaz. Material más empleado: acero. Tipos de torres: tubulares y de celosía. Tecnología actual Tubulares: utilizadas en los modernos aerogeneradores. Compuestas de secciones de acero (20-30 m) en forma de cono con diámetro decreciente en la dirección ascendente. Mas resistencia y minimiza material (15-20% coste aerogenerador). El acceso se realiza por el interior. Celosía: más baratas para la misma resistencia. Mayor impacto visual. 3

4 Torre del aerogenerador Cimentación de un aerogenerador Fija al suelo toda la estructura. Requiere mucha obra civil (10% coste del proyecto). Se trata de una base de hormigón armado enterrada en el suelo. En ocasiones se añaden pilares. Transporte de una sección de una torre tubular de aerogenerador Aerogenerador bipala en torre de celosía Cimentación de un aerogenerador Góndola de un aerogenerador Aloja los sistemas eléctricos y mecánicos del aerogenerador. Adosados a ella están el rotor y el buje. Puede girar sobre la torre (rodamientos) utilizando un motor eléctrico para situar el rotor en perpendicular al viento (sistema hidráulico autómata de orientación). Rotor y buje de un aerogenerador El rotor está formado por las palas unidas al buje. Convierte la energía del viento en energía mecánica. El buje conecta el rotor al eje de giro que a su vez está conectado al resto de elementos mecánicos. Las palas son de fibra de vidrio y resinas de poliéster. Gran resistencia, flexibilidad y peso reducido. Tecnología actual El nº de palas suele ser de 3 (tripala o concepto danés) por rendimiento y estabilidad. Existen también aerogeneradores monopala, bipala o multipala (> 3 palas). Cuanto mayor es el diámetro del rotor, más energía del viento se puede captar y su potencia será mayor. Pueden ser diámetros > 80 m. 4

5 Generador de un aerogenerador Convierte la energía mecánica del rotor en energía eléctrica. Generan CA trifásica a 50 Hz con tensiones de 690 o 1000 V. El transformador eleva estas tensión hasta valores de salida entre 20 y 30 kv. Otros componentes Multiplicadora: adapta la velocidad de giro del rotor de rpm para aerogeneradores entre 300 kw y 2 MW a la velocidad de giro del generador de rpm. Freno mecánico: detiene totalmente el giro del rotor en las operaciones de mantenimiento y en situaciones de emergencia por exceso de viento. Sistemas de control de potencia: modifican la respuesta aerodinámica del rotor para mantener las condiciones de seguridad, aprovechar al máximo el viento disponible y frenar en caso de avería o mantenimiento. Aerogeneradores de paso fijo: el ángulo de inclinación de la pala con el viento no puede ser modificado. Aerogeneradores de paso variable: si pueden modificar la inclinación de las palas en función de la velocidad del viento Tecnología actual Disposición de los aerogeneradores Factor más importante: dirección de los vientos predominantes. Instalaciones eléctricas en un parque eólico Red de BT del aerogenerador. Centros de transformación de los aerogeneradores BT/MT. Red de cables canalizados en zanja: tierra, MT y fibra óptica. Subestación eléctrica MT/AT. Disposición en hileras paralelas entre si y perpendiculares a la dirección del viento dominante (ejemplo en terreno llano) Disposición en plataformas en perpendicular a la dirección de los vientos predominantes (ejemplo en orografías complicadas) Línea eléctrica aérea de evacuación de la energía en AT. 5

6 Potencia captada por un aerogenerador La energía que lleva la masa de aire (m) en movimiento: Coeficiente de potencia Es necesario considerar el rozamiento aerodinámico del aerogenerador con el viento y tener en cuenta las perdidas en el proceso de conversión. Coeficiente de potencia Potencia mecánica en el eje del rotor Potencia de la masa de aire captada por el aerogenerador D = diámetro del rotor A = área de barrida v = velocidad del viento V = volumen aire que cruza el área del rotor L = longitud recorrida por el viento ρ = densidad del aire Derivando con respecto al tiempo Potencia captada del viento por el aerogenerador El coeficiente de potencia no suele ser > 0.5. Existe un límite físico impuesto por la mecánica de fluidos: el límite de Betz (59.26%). El valor de Cp depende del diseño de la pala, del nº de palas del rotor, de la estructura del rotor, del sistema de control y además varía con la velocidad de rotación del rotor. Variación de Cp con la velocidad Cp alcanza un valor máximo con la velocidad y después disminuye. Y con ello el rendimiento. Mejor rendimiento de los aerogeneradores de eje horizontal. Cp aumenta con el nº de palas (no mucho a partir de 3). Curva de potencia de un aerogenerador Es la potencia suministrada por el aerogenerador para cada velocidad de viento. Entregadas por el fabricante. Muestran la potencia a plena carga en condiciones óptimas de viento, la velocidad de conexión del aerogenerador y la de desconexión. Velocidad específica en una pala del rotor (Tip Speed Ratio, TSR) Velocidad lineal en el extremo de la pala = vel. angular (rad/s) radio del rotor Velocidad del viento 6

7 Factor de capacidad o de carga Es la producción anual de energía dividida por la potencia nominal del generador. Indica el nº de horas equivalentes de funcionamiento a máxima potencia del aerogenerador. En 2013 el factor de capacidad promedio en España fue de un 27,3%. Se expresa también en porcentaje, dividiendo entre las horas de un año (8760). Horas de funcionamiento Nº de horas de funcionamiento anual promedio y tasa de variación ( ) Factor de capacidad mensual. Promedio, mínimo y máximo del período y promedio del año 2013 Potencia instalada: 2013 Potencia instalada: 2014 ww.ree.es Potencia instalada similar a 2013 Desaparece el concepto de régimen ordinario y especial ww.ree.es 7

8 Potencia eólica instalada Evolución de la potencia eólica instalada El menor crecimiento de la historia en potencia en 2013 y En 2013, la eólica instaló 175 MW, lo que supuso un crecimiento del 1.1% respecto al A finales de año, la potencia total se situaba en MW. En 2014 no hubo incremento de potencia. Los 175 MW instalados en 2013 corresponden a los últimos coletazos del Registro de Preasignación, el cupo establecido en 2009 por el Gobierno para que sólo los nuevos parques inscritos entonces pudiesen percibir la retribución prevista en el Real Decreto 661/2007. No obstante, las empresas titulares de 928 MW de los inscritos en este Registro han renunciado a instalar esta potencia. Tras estas renuncias, a finales de 2013 quedaban 177 MW no instalados inscritos en el Registro de Preasignación que no han renunciado expresamente a la construcción. Potencia eólica instalada por CC.AA. Potencia eólica instalada en 2013 Por sociedades promotoras y según los criterios de contabilización de AEE, la que más potencia instaló fue Enel Green Power con 88,27 MW, seguida por Acciona Energía y EDPR. En cuanto a los fabricantes, Gamesa fue el que más potencia instaló, con 85,50 MW, seguido de Acciona Wind Power, con 70,50 MW. El nº de aerogeneradores que se instalaron en España en 2013 ascendió a tan sólo 83, frente a los 576 de 2012, los 581 de 2011, los 827 de 2010 y los de A finales de 2013, había aerogeneradores en el país. Manteniendo la tendencia de los últimos años, el tamaño medio de los aerogeneradores ha aumentado, situándose cerca de los 2 MW de media de potencia unitaria. 8

9 Potencia eólica instalada por propietarios Potencia eólica instalada por fabricantes Eólica 14. Asociación Empresarial Eólica. La Referencia del Sector. Eólica 14. Asociación Empresarial Eólica. La Referencia del Sector. Parque eólico de Cordal de Montouto Potencia eólica instalada en el mundo Entró en operación comercial en diciembre de 2014 con 6 aerogeneradores y 14 MW de potencia total. Primer parque en Galicia desde 2006 y único en 2014 en España (sin contar el experimental de El Hierro). Inversión de 16 millones de euros de Gas Natural-Fenosa. Situado entre los ayuntamientos de Aranga (A Coruña) y Guitiriz (Lugo). Se trata de una concesión anterior al concurso eólico en vigor aprobado por la Xunta de Galicia en 2010 (11 instalaciones autorizadas pero ninguna construida). Gas Natural-Fenosa ha repotenciado los aerogeneradores del parque ya existente de Cabo Vilano en Camariñas (A Coruña). Inversión de 6 millones de euros en retirar 22 torres y colocar 2 más potentes. 9

10 Potencia eólica instalada por paises Generación de energía eólica A nivel mundial, la potencia eólica instalada creció en 2013 en MW, un 12,4%, respecto a 2012, hasta superar los 318 GW. España se mantiene como 4º país del mundo en eólica, por detrás de: - China, con MW ( MW instalados nuevos en 2013) - Estados Unidos, con MW (1.084 MW nuevos) - Alemania, con MW (3.238 MW nuevos). En 2013 España fue el primer país de Europa en generación eólica, con GWh, un 12,8% más que en 2012, a pesar del débil crecimiento de la potencia. En 2014 la generación fue un 6% menor que en 2013, con GWh y sin crecimiento de potencia. En cuanto a la cobertura de la demanda en España, la eólica se ha situado como primera tecnología de generación junto con la nuclear, al cubrir en 2013 un 21,2% del total (igual que la nuclear), y en 2014 un 20.4% (21.9% nuclear). Balance eléctrico anual: 2013 Balance eléctrico anual: 2014 ww.ree.es 10

11 Evolución futura de la tecnología eólica No habrá una ruptura tecnológica en los próximos años sino una evolución de la tecnología actual. Diámetro de pala Potencia Altura de buje Hace 20 años 15 m 150 kw 40 m m 5 MW m En 5-10 años 125 m 10 MW > 125 m Mejoras en componentes, rendimientos y costes. Nuevos materiales más ligeros, mayor rendimiento, menor coste Requerimientos más estrictos para la integración en la red eléctrica Posibilidad de almacenamiento de energía. Generación de H 2 para pilas de combustible Baterías eléctricas de vehículos Perspectiva general: El recurso eólico, selección de emplazamientos y la ingeniería de la energía eólica. Presentación de Consuelo Alonso. Gas Natural-Fenosa En las necesidades energéticas en el mundo crecerán un 41%. 1/3 será aportado por renovables. La tasa de crecimiento de la energía eólica será de 6,4 % anual. 11