Tema 3 energías renovables

TEMA 3: ENERXÍAS RENOVABLES 1

TECNOLOXIA INDUSTRIAL I IES AQUIS CELENIS

TEMA 3: ENERXÍAS RENOVABLES

1.- ENERXÍA HIDRAULICA

É a enerxía que ten a auga ó moverse a través dun leito (enerxía cinética) ou cando se atopa embalsada a certa altura (enerxía potencial). Cando a deixemos caer, transformarase en enerxía cinética que pode ser aproveitada para diversos fins. Trátase dunha enerxía renovable.

Xa na antigüidade o home aprendeu a empregar este tipo de enerxía. Para isto empregou diferentes enxeños (rodas hidráulicas) que foron evolucionando co obxecto de obter o máximo de rendemento posible.

Hai dúas aplicacións fundamentais da enerxía hidráulica:

- Dende aprox. o ano 100 a.C. ata finais do século XIX: toda a enerxía hidráulica transformábase en enerxía mecánica que posteriormente tiña aplicacións específicas en noras ("norias"), muíños de gran, forxas, industrias téxtiles, etc.

- A partir do século XX: empregouse para a obtención de electricidade

1.1.- COMPOÑENTES DUN CENTRO DE APROVEITAMENTO HIDROELÉCTRICO

Toda central hidroeléctrica transforma a enerxía potencial da auga acumulada nun embalse en enerxía eléctrica a través do alternador. As diferentes transformacións de enerxía lévanse a cabo no orde que se indica a continuación:

Enerxía potencial (embalse) --> Enerx. cinética da auga (Tubos) --> Enerx. cinética de rotación (Turbina) --> Enerx. Eléctrica (Alternador)

1.1.1.- EMBALSE

Representa a totalidade da auga acumulada. Para isto dispón dun muro groso de formigón, denominado presa, que ten por función reter a auga. Basicamente existen dous tipos:

* Presas de gravidade: co seu peso contrarresta o empuxe da auga. Soe ser recta ou un pouco cóncava (polo lado da auga). A súa sección transversal é triangular,

david 001

david 001

david 001

david 001

david 001

david 001



formando un ángulo recto entre a base e o lado do embalse. A súa construción resulta cara.

* Presa de bóveda: traballa de maneira que o empuxe da auga transmítese ás ladeiras dun monte. Soe ser convexa, de tal maneira que canto máis empuxa a auga do embalse, máis se cravan os lados da presa nas ladeiras do monte. Esta característica reduce o tamaño da presa, e polo tanto, a súa construción e máis barata para a mesma solidez que o caso anterior.

1.1.2.- CONDUTOS DE AUGA

Existen dous tipos de condutos:

* Comportas: teñen como misión evacuar a auga que hai no embalse sen que pase pola sala de máquinas (turbinas). Empréganse cando é necesario soltar auga por razóns de seguridade.



* Tubos de condución: permite transportar a auga dende o embalse ata as turbinas. Hai dúas partes importantes: a toma de auga que está colocada a 1/3 da altura da presa con obxecto de que os lodos, pedras e materiais diversos non sexan arrastrados pola auga e queden depositados no fondo, e a cheminea de equilibrio que consiste nun pequeno depósito que está conectado ós tubos de condución no que hai auga acumulada. Con isto evítanse as variacións de presión na auga cando regulamos o caudal de entrada.

1.1.3.- SALA DE MÁQUINAS

Na sala de máquinas atopamos:

* Turbinas: teñen como función transformar a enerxía cinética da auga en enerxía mecánica de rotación. Na actualidade as turbinas máis empregadas son as Kaplan e as Pelton.

* Alternador: nas turbinas Pelton soe estar solidario ó eixo da turbina xa que a velocidade de xiro do alternador pode regularse colocando máis ou menos chorros. As turbinas Kaplan xiran moi rápido, polo que é necesario incorporar un redutor de velocidade entre a turbina e o alternador. O alternador transforma a enerxía cinética de rotación en enerxía eléctrica.



1.1.4.- TRANSFORMADORES E LIÑAS DE TRANSPORTE

Os transformadores encárganse de elevar a tensión de saída dos alternadores (normalmente 20.000 V) ata 400.000 V, que soe ser a tensión empregada para o transporte da corrente eléctrica entre puntos distantes. Si a central está conectada á rede nacional, debe estar sincronizada ó conxunto da rede para sumar a súa contribución ás demais.

1.1.5.- POTENCIA OBTIDA NUNHA CENTRAL HIDROELÉCTRICA

A potencia teórica dunha central hidroeléctrica depende fundamentalmente de dous parámetros: da altura do salto de auga e do caudal que incide sobre as turbinas. A expresión matemática que determina a potencia teórica é:

P=9'8·Q·h=9'8·Q·p

sendo Q o caudal en Kg/s, h a altura en m e p a presión da auga ó incidir sobre as turbinas en kg/m2. A enerxía obtida ven dada por:

E=P·t=9'8·Q·h·t



1.2.- TIPOS DE CENTRAIS

Segundo a potencia que sexan capaces de producir podemos facer a seguinte clasificación:

Minicentrais.

A súa potencia é inferior ós 10 MW, e en xeral empréganse para producir electricidade en pequenos pobos e empresas próximas ós ríos. Pode dispoñer dun pequeno embalse en ríos pouco caudalosos ou sacar un tubo directamente do río a certa altura, para crear un desnivel, en ríos con caudal constante ó longo do ano.

Grandes centrais hidroeléctricas.

A súa potencia é superior ós 10 MW e sitúanse en ríos de grandes caudais. Existen dous tipos:

De bombeo puro: dispoñen de dous embalses. Durante as horas de máxima demanda de enerxía eléctrica funcionan como una central calquera. É dicir, a auga do embalse superior pasa polos tubos desde a presa ata as turbinas, facéndoas xirar e xerando corrente que se transporta polas liñas de alta tensión. Logo a auga pasa ó embalse inferior, onde se almacena ou reborda seguindo o curso do río. Para poder obter auga do embalse superior é necesario bombeala. Así, pois a función principal do embalse superior é simplemente almacenar a auga.

Centrais mixtas de bombeo: poden producir enerxía indistintamente con ou sen bombeo previo. Non se necesita bombear auga ó embalse superior para producir enerxía, pois este embalse é alimentado polo leito do río. Soamente cando exista un excedente de enerxía eléctrica e o embalse superior dispoña de pouca auga, debido a que nese momento o caudal do río é pequeno, pódese bombear auga do embalse inferior ó superior.



1.3.- A ENERXÍA HIDRÁULICA E O MEDIO AMBIENTE

Vantaxes:

O sistema de produción de enerxía é un dos máis limpos que existen, xa que non emite fumes nin residuos á atmosfera.

Os embalses permiten regular o caudal dos ríos, evitando inundacións. Permite almacenar auga e aproveitala posteriormente para consumo humano e

regos.

Inconvenientes:

Á hora de facer a presa e o embalse, anéganse terreos fértiles e en algúns casos núcleos de poboación.

Modifícase a vexetación e fauna autóctona.

2.- ENERXÍAS ALTERNATIVAS

Dende a primeira crise do petróleo en 1973 e debido a gran dependencia enerxética deste combustible, nos países desenrolados e en vías de desenrolo deuse un gran impulso ó aproveitamento de novos recursos enerxéticos. Pensouse que estes recursos deberían ter un baixo impacto medioambiental, o que reduciría ó máximo a degradación do planeta. Para isto decidiuse empregar fontes enerxéticas xa coñecidas e empregadas polo home. Estas enerxías ademais tiñan a vantaxe de englobarse dentro das denominadas enerxías renovables, que poden considerarse inesgotables si facemos un uso racional delas. As vantaxes que aporta o emprego de enerxía alternativas son: enerxía gratis ou moi barata, e recursos inesgotables que non son contaminantes.

En xeral considéranse enerxías alternativas a enerxía solar, eólica, enerxía da biomasa, xeotérmica, maremotriz e enerxía das olas.

2.1.- ENERXÍA SOLAR

O Sol é a principal fonte de enerxía da Terra. Esta enerxía procede das reaccións termonucleares que ocorren nesta estrela. O hidróxeno transfórmase en helio, liberándose nesta reacción gran cantidade de enerxía, transportándose en ondas electromagnéticas. Unha pequena parte chega o noso planeta, da cal, parte é reflectida na atmosfera, evitando que un porcentaxe alto de radiacións prexudiciais cheguen a nos.

Comprobouse experimentalmente que a intensidade media da radiación solar, medida fora da atmosfera é K = 1’94 cal/min × cm2. Esta constante solar considerase



invariable ó longo do tempo. Pero a intensidade solar que chega á superficie da Terra redúcese considerablemente debido a varios factores, entre os que destacan: gases na atmosfera (ozono, dióxido de carbono, ...), vapor de auga, partículas de po, etc. A intensidade de radiación tampouco é igual en todas as zonas da Terra. Dependerá da súa latitude xeográfica, hora do día, estación do ano e situación atmosférica. A fórmula que indica a cantidade de calor que chega a un punto da superficie da Terra ven dada por:

Q=k·t·S

sendo K a constante de radiación solar, t o tempo en minutos e S a sección en cm2. O calor ven expresado en calorías.

2.1.1.- APROVEITAMENTO DA ENERXÍA SOLAR.

A enerxía solar ten dous campos de aplicación fundamentais: conversión en

enerxía eléctrica e transformación en enerxía térmica ou calorífica.

2.1.1.1.- CONVERSIÓN EN ENERXÍA CALORÍFICA

2.1.1.1.1.- Conversión en enerxía calorífica mediante colectores planos.

Basease no feito de que todo corpo exposto ó Sol absorbe parte dos raios solares que inciden sobre el. Dependendo da súa cor absorberá máis ou menos radiacións. Teoricamente, un corpo de cor negro mate absorbería todas as radiacións mentres que un branco brillante as reflectiría todas. Os dispositivos normalmente empregados para a obtención de enerxía térmica ou calorífica a partir dos raios solares denomínanse colectores. Un colector solar é unha caixa, normalmente metálica na que se dispoñen no seu interior unha serie de tubos, pintados de negro, polos que circula auga. O interior do colector está pintado de cor negra mate para absorber os raios solares. Na parte superior dispón dun cristal que permite o paso dos raios e fai de illante co exterior.

Dependendo da aplicación á que destinemos a auga quente, fabrícanse tres tipos de colectores:

Ata temperaturas de 35 ºC: é o modelo de colector máis sinxelo xa que os tubos non teñen ningún tipo de illante. As aplicacións máis usuais son: climatización de piscinas, calefacción de invernadoiros, secadoiros, duchas ó aire libre, etc. Ata temperaturas de 60 ºC: neste caso o

colector leva un cristal exterior e internamente está



illado, mediante fibra de vidro ou poliuretano. O interior e os tubos van pintados de negro mate. Normalmente empréganse para quentar auga sanitaria, calefacción de vivendas, usos industriais, etc.

Ata 120 ºC: o colector leva no interior un illante ó baleiro. Polo tanto, irá precintado para que non poda ser aberto. Emprégase para usos industriais nos que necesitamos auga a altas temperaturas.

2.1.1.1.2.- Conversión en enerxía calorífica: aproveitamento pasivo.

Hai moitas aplicacións nas que empregamos este sistema. De feito, o home e os seres vivos lévana aproveitando dende sempre para quentarse. Entre os diferentes exemplos cabe destacar:

Invernadoiros: os plásticos permiten a entrada das radiacións electromagnéticas. Ó incidir sobre o chan, a súa lonxitude de onda varía e ó intentar saír do plástico (debido á reflexión) quedan atrapadas. O resultado é un aumento da temperatura. Desalinizadora de auga mariña: consta

dun recipiente de color escuro e illado exteriormente. Está cuberto por un cristal cunha orientación duns 45º respecto da horizontal. Polo efecto da radiación solar evaporase a auga quedando no fondo o sal. As gotas de auga condénsanse no vidro e caen á parte inferior, illada da zona que conten o sal.

Outros exemplos: cociña solar.



2.1.1.2.- CONVERSIÓN EN ENERXÍA ELÉCTRICA.

2.1.1.2.1.- Colectores cilíndrico parabólicos.

Concentran a radiación solar nun tubo que contén un líquido, xeralmente aceite. Con este sistema podemos conseguir temperaturas de ata 300 ºC. O fluído transmite o calor dende os colectores ata un intercambiador de calor que hai na caldeira. Con este calor conseguimos evaporar auga, que pasa a través dunha turbina que a fai xirar. O alternador, solidario á turbina, encárgase de xerar a enerxía eléctrica.

2.1.1.2.2.- Campo de heliostatos.

Está formado por unha serie de helióstatos ou espellos direccionais de grandes dimensións que reflicten a luz solar cara unha torre, concentrando os raios solares sobre a caldeira. O aporte calorífico é absorbido polo fluído da caldeira e conducido ata o xerador de vapor. A continuación, a enerxía transmítese a un segundo circuíto onde a auga evapórase e chega ó grupo turbina-alternador, onde obtemos electricidade. Finalmente, o fluído é condensado no aerocondensador para repetir ó ciclo.



2.1.1.2.3.- PLACAS FOTOVOLTAICAS

Cada módulo ou placa fotovoltaica está formada por unha serie de células solares constituídas a base de silicio como material base. cando a luz solar incide sobre as células xéranse pequenas tensións (0’58 v) nos extremos dos seus bornes. as células colócanse en serie conseguindo unha tensión final de 18 v e unha intensidade de 2 a. o rendemento enerxético destas placas oscila entre o 25 e o 35% dependendo da súa orientación e da temperatura á que están sometidas. o rendemento

diminúe a medida que aumenta a súa temperatura.

2.1.1.3.- OUTRAS APLICACIONS: FORNO SOLAR

Consiste en concentrar nunha pequena zona ou punto todos os raios solares que inciden nunha superficie moi grande en comparación coa zona interior. para isto empregamos un espello de forma parabólica. as temperaturas poden alcanzar os 4000 ºc e emprégase principalmente para a investigación, no estudio do punto de fusión de materiais.

2.2.- ENERXÍA EÓLICA

Ten como fonte o vento, é dicir, o aire en movemento. O que aproveitamos da enerxía eólica é a súa enerxía cinética. O vento orixínase como consecuencia da cantidade de sol que incide sobre o aire, quentándoo e xerando correntes de aire; da rotación da Terra e das condicións atmosféricas dun lugar concreto. Calcúlase que o 2% da enerxía solar que recibe a Terra transfórmase en enerxía cinética dos ventos, aínda que soamente podemos aproveitar a que circula preto do chan.

A enerxía eólica, xunto co lume e a enerxía animal, constitúen as primeiras enerxías que empezou a empregar o ser humano. As principais aplicacións foron no



transporte marítimo (barcos de vela), muíños de vento para moer cereais e extraer auga, e en máquinas motrices para a industria.

2.2.1.- AEROGENERADORES:FUNCIONAMENTO, PARTES E TIPOS

2.2.1.1.- Funcionamento

O funcionamento é o seguinte: o vento incide sobre as palas do aerogenerador e faio virar, este movemento de rotación transmítese ao xerador a través dun sistema multiplicador de velocidade. O xerador producirá corrente eléctrica que se deriva ata asliñas de transporte. Para asegurar en todo momento o fornezo eléctrico, é necesario dispoñer de acumuladores.

2.2.1.2.-Partes

Os elementos de que consta unha máquina eólica son os seguintes:

- Soportes (torres ou tirantes) - Sistema de captación (rotor) - Sistema de orientación - Sistema de regulación (controlan a velocidade de rotación) - Sistema de transmisión (eixes e multiplicador) - Sistema de xeración (xerador)

1) Torre. É o elemento de sujeción e o que sitúa o rotor e os mecanismos que o acompañan á altura idónea. Está construída sobre unha base de hormigón armado (cimentación) e fixado a esta con pernos. A torre ten forma tubular e debe ser suficientemente resistente para aguantar todo o peso e os esforzos do vento, a neve, etc. Na súa base está generalmente o armario eléctrico, a través do cal actúase sobre os elementos de xeración e que alberga todo o sistema de cableado que provén da góndola, así como o transformador que eleva a tensión. No exterior ten escalas para acceder á parte superior.

2) O rotor. É o elemento que capta a enerxía do vento e transfórmaa en enerxía mecánica. Á súa vez, o rotor componse de tres partes fundamentais: as palas (que capturan a enerxía contida no vento), o eixe (que transmite o movemento giratorio das palas ao aerogenerador) e o buje (que fixa as palas ao eixe de baixa velocidade). As palas son os elementos máis importantes, pois son as que reciben a forza do vento e móvense grazas ao seu deseño aerodinámico. Están fabricadas con resina de poliéster e fibra de vidro sobre unha estrutura resistente, e o seu tamaño depende da tecnoloxía empregada e da velocidade do vento.

3) Góndola. É a estrutura na que se resgardan os elementos básicos de transformación de enerxía, é dicir: multiplicador, eixe do rotor, xerador e sistemas auxiliares.



4) Multiplicador. É un elemento conectado ao rotor que multiplica a velocidade de rotación do eixe (unas 50 veces) para alcanzar o elevado número de revolucións que necesitan as dinamos e os alternadores. Dentro dos multiplicadores distínguense dous tipos: os de poleas dentadas e os de engranaje.

Multiplicadores de poleas dentadas. Utilízanse para rotores de baixa potencia

Multiplicadores de engranaje. Neste tipo de multiplicadores os engranajes están protexidos en caixas blindadas para evitar a súa desajuste e desengrasado.

Aínda que a maioría dos aerogeneradores teñen multiplicador, existen algúnsrotores que non o necesitan.

5) Sistema hidráulico. Utilizado para restaurar os freos aerodinámicos do aerogenerador.

6) Eixe de alta velocidade. Vira aproximadamente a 1.500 revolucións por minuto (r.p.m.), o que permite o funcionamento do xerador eléctrico. Está equipado cun freo de disco mecánico de urxencia. O freo mecánico utilízase en caso de fallo do freo aerodinámico, ou durante os labores de mantemento da turbina.

7) Xerador. A función do xerador é transformar a enerxía mecánica en enerxía eléctrica. En función da potencia do aerogenerador utilízanse dinamos (son xeradores de corrente continua e úsanse en aerogeneradores de pequena potencia, que almacenan a enerxía eléctrica en baterías) ou alternadores (son xeradores de corrente alterna). La potencia máxima adoita estar entre 500 e 3000 kilovatios (kW).

8) Mecanismo de orientación.Activado polo controlador electrónico, que vixía a dirección do vento utilizando o catavento. Normalmente, a turbina só se orientará uns poucos grados cada vez, cando o vento cambia de dirección.

9) Controlador electrónico. Ten un ordenador que continuamente monitoriza as condicións do aerogenerador e que controla o mecanismo de orientación. En caso de calquera disfunción (por exemplo, un sobrecalentamiento no multiplicador ou no xerador), automáticamente para o aerogenerador

10) Unidade de refrigeración. Contén un ventilador eléctrico utilizado para arrefriar o xerador eléctrico. Ademais contén unha unidade de refrigeración de aceite empregada para arrefriar o aceite do multiplicador. Algunhas turbinas teñen xeradores arrefriados por auga.

11) Anemómetro e o catavento. Utilízanse para medir a velocidade e a dirección do vento. Os sinais electrónicos do anemómetro son utilizadas polo controlador electrónico do aerogenerador para conectar o aerogenerador cando o vento alcanza aproximadamente 5 m/s (18 km/h). O ordenador parará o aerogenerador automáticamente si a velocidade do vento excede de 25 m/s (90 km/h), co fin de protexer á turbina e as súas alrededores. Os sinais do catavento son utilizadas polo controlador electrónico do aerogenerador para virar ao aerogenerador en contra do vento, utilizando o mecanismo de orientación.



2.2.2.- CLASIFICACIÓN DAS MÁQUINAS EÓLICAS

Distinguimos dous tipos de aeroxeradores, aeroturbinas ou turbinas eólicas: de eixo horizontal e de eixo vertical.

Aeroturbinas de eixo horizontal: son as máis empregadas debido ó seu avanzado desenrolo tecnolóxico e comercial. Para o seu funcionamento necesitan manterse paralelas ó vento, para que este incida sobre as palas e as faga xirar. Dependendo da potencia clasifícanse en:

o Potencia medias ou baixas (de 0’5 a 50 kW): o número de aspas soe ser grande e empréganse para bombear auga e como abastecemento complementario de electricidade en fogares. Funcionan a pleno rendemento cando a velocidade do aire é de 5 m/s e arrancan a 2 m/s.

o Potencial alta (máis de 50 kW): teñen un máximo de catro palas de perfil aerodinámico. Precisan de ventos de 9 m/s para arrancar e o rendemento aumenta a medida que xiran con maior velocidade e para palas de maiores dimensións, e diminúe para velocidades do vento superiores a 15 m/s.

Aeroturbinas de eixo vertical: o seu desenrolo tecnolóxico é menor e o seu uso bastante escaso, pero presentar un futuro prometedor debido a que non necesitan dispositivos de orientación (por cuestións de simetría están sempre orientadas) e ofrecen menos problemas de resistencia e vibracións estruturais. As aeroturbinas más empregadas son:



o Aeroturbina Savonius: componse basicamente de dous semicilindros iguais desprazados do eixo. O vento, ó actuar sobre a superficie do cilindro, produce o xiro do eixo.

o Aeroturbina Darrieus: está constituída por palas de perfil biconvexo unidas unhas con outras producindo o xiro do eixo ó que están unidas.

2.2.4.- DESEÑO DAS INSTALACIÓNS

No deseño dunha instalación eólica é necesario considerar tres factores:

- O emprazamento

- O tamaño da máquina

- Os custos

O emprazamento elixido para instalar a máquina eólica ha de cumprir dúas condicións: o vento ha de soprar con regularidad e a súa velocidade ha de ter un elevado valor medio.



É necesario dispoñer dunha información meteorolóxica detallada sobre a estrutura e distribución dos ventos. As medicións estatísticas deben realizarse durante un período mínimo de tres anos, para poder obter uns valores fiables, que unha vez procesados permiten elaborar:

- Mapas eólicos: proporcionan unha información de ámbito global do nivel medio dos ventos nunha determinada área xeográfica, situando as zonas máis idóneas baixo punto de vista energético

- Distribucións de velocidade: estudo a escala zonal dun mapa eólico, que proporciona número de horas ao ano en que o vento ten unha dirección e unha velocidade determinadas

- Perfís de velocidade: variación da velocidade do vento coa altura respecto ao

chan, obtido por un estudo puntual

O tamaño da máquina condiciona fuertemente os problemas técnicos. No caso das

grandes plantas eólicas, o obxectivo principal é conseguir unidades tan grandes como sexa posible, co fin de reducir os custos por kW obtido, pero as grandes máquinas presentan problemas estructurales que só os pode resolver a industria aeronáutica. Para as pequenas aeroturbinas, o problema é diferente; o obxectivo técnico principal é a redución do seu mantemento, xa que a súa aplicación adoita estar dirixida a usos en zonas illadas. O custo , si deséxase producir enerxía eléctrica para distribuír á rede, é lóxico deseñar unha planta eólica mediana ou grande, mentres que si trátase de utilizar esta enerxía de forma illada, será máis adecuado a construción dunha máquina pequena, ou seica mediana.

O tamaño da planta eólica determina o nivel de produción e, xa que logo, inflúe nos custos da instalación, dentro dos que cabo distinguir entre o custo da planta (custo por kW) e o custo da enerxía (custo por kWh).

2.2.5.- CÁLCULO DA ENERXÍA XERADA NUNHA AERO TURBINA

Imaxinemos un tubo de aire de sección S pertencente ó fluxo que vai entrar nunha turbina eólica, como indicamos na figura 15.

Admitindo que a sección S está fixa no espazo e que o fluído pasa a través dela, a unha velocidade uniforme v, ó cabo do tempo t recorrería unha distancia l na dirección da aeroturbina.

Polo tanto:

Velocidade do vento: v = l/t l=v·t

A densidade do aire ven dada pola fórmula: = m/V ; m = ·V

O volumen de vento que atravesou o tubo no tempo, t, vale:

V = S·l = S · v · t



polo que a masa valerá:

m = · S · v · t

A enerxía cinética deste volume de vento é:

Ec = ½ m · v2 = ½ · S · v · t · v2 = ½ · S · t · v3

O divider a enrxía cinética polo tempo empregado en atravesar o tubo do aire, obteremos a potencia que posee o vento:

Pvento = Ec/t = ½ · S · v3

Pero non toda a enerxía que ten este vento pode ser captada polas penlas da aeroturbina.

Defínese o rendemento aerodinámico coma a relación entre:

= Eutil / Ec = Putil / Pvento Pútil = · ½ · S · v3

2.3.- BIOMASA

Denomínase biomasa ó conxunto de materia orgánica renovable (non fósil) de procedencia vexetal, animal ou resultante dunha transformación natural ou artificial. O baixo rendemento enerxético, asociado ó gran volume e alto contido de humidade, fai da biomasa un combustible non moi bo para a obtención de enerxía a media e gran escala. Faise necesaria a transformación previa da biomasa nun combustible de maior poder enerxético. Esta transformación da biomasa pode facerse por medio de tres procedementos ou métodos indicados a continuación.

Por extracción directa.

Consiste na existencia de certas especies vexetais que producen no seu metabolismo hidrocarburos ou compostos moi hidroxenados, con elevado poder calorífico. A súa obtención faise mediante extracción (esmagamento) ou engadindo certos compostos químicos.

Procesos termoquímicos.

Consiste en someter a biomasa a temperaturas elevadas, orixinándose procesos termoquímicos irreversibles.

o Si o proceso se leva a cabo mediante a combustión da biomasa con aire abundante (comburente), obtemos calor, podendo empregarse para producir vapor que mova unha turbina que arrastre un alternador para producir electricidade. Cando empregamos biomasa seca (<20% de



humidade) o rendemento enerxético oscila entre o 80 e o 85%. Si o grado de humidade é superior ó 50%, o seu rendemento atópase entre o 65 e o 70%. A vantaxe de empregar a biomasa como fonte de enerxía redunda en que os gases residuais producen pouca contaminación debido o escaso contido de xofre.

o Cando a combustión se fai con defecto de aire, obtemos CO, CO2 e H2. Este mestura denomínase gas pobre. Para obter este gas debemos elevar a temperatura do forno entre 700 e 1500 ºC, limitando a cantidade de aire entre un 10 e un 50% da cantidade necesaria para unha combustión normal, facendo pasar o aire a gran velocidade a través do combustible ardendo, e xerando así un gas pobre ou gas de gasóxeno.

o Si no caso anterior empregamos como comburente osíxeno puro, o resultado é unha mestura de monóxido de carbono, hidróxeno e hidrocarburos que denominamos gas de síntese. Este gas pode transformarse en combustible líquido (metanol ou gasolina) con elevada demanda no mercado.

o Si a combustión faise en ausencia de aire, denomínase pirólises. Neste proceso hai unha descomposición da materia orgánica, debida ó calor, que orixina tres tipos de produtos finais: gasosos (combustibles de H2, CO2 e hidrocarburos), líquidos (hidrocarburos complexos de carácter osixenado como os alcohois) e sólidos (carbón e chapapote).

Procesos bioquímicos.

Nestes procesos transfórmase a biomasa en enerxía. Para isto empréganse diferentes tipos de microorganismos presentes na propia biomasa ou que son engadidos. Os procesos bioquímicos ou de fermentación máis importantes son:

o Fermentación alcohólica: é o proceso de transformación da glicosa ("glucosa") en etanol (alcohol etílico) pola acción de microorganismos. Calquera produto que conteña azucres ou amidón pode transformarse en alcohol.

o Fermentación anaerobia: consiste na fermentación en ausencia de osíxeno e prolongada no tempo. Orixínase unha mestura de produtos gasosos (metano e dióxido de carbono) denominado biogas.

2.4.- ENERXÍA XEOTÉRMICA.

É a enerxía calorífica que procede do interior da Terra. Sóbese que o núcleo da Terra ten unha temperatura que pode chegar ata os 4000 ºC. Esta temperatura vai



diminuíndo a medida que nos aproximamos á superficie. Por termino medio, a medida que afondamos, a temperatura da Terra elévase a razón de 3 ºC por cada 100 m. Así, pois unha solución sinxela para obter enerxía calorífica barata podía ser a realización de dous buratos moi fondos e próximos entre si. Por un deles introduciriamos auga fría e polo outro obteriamos auga quente. Esta solución non é valida en todos os lugares debido a que a baixa condutividade térmica dos materiais que constitúen a Terra non permite un suficiente fluxo térmico dende o interior da Terra.

Sen embargo, existen zonas nas que observamos anomalías xeotérmicas, producíndose transferencias de calor moito maiores, ou onde a escala de temperaturas en función da profundidade é moito maior.

2.4.1.- TIPOS DE XACEMENTOS.

Para extraer o calor da Terra emprégase sempre algún fluído, normalmente auga que unha vez quente, extraese e aproveitase a súa enerxía térmica para transformala noutro tipo de enerxía, na maioría dos casos en enerxía eléctrica. Dependendo do lugar onde atopamos a auga, temos:

Xacementos hidrotérmicos: neste caso, o propio fluído (auga) atópase no interior da Terra, debido ás filtracións do terreo motivadas polas chuvias, ríos, ... A auga pode encontrarse líquida ou en forma de vapor, dependendo da presión e temperatura que exista no interior do xacemento. Estes xacementos soen estar formados por: un foco de calor recuberto de roca impermeable quente, que permite a transferencia de calor á roca permeable á que chegou auga. Por efecto da calor elévase a temperatura da auga, aumentando a presión. Si a temperatura é alta, a auga convértese en vapor a gran presión.



Perforada a roca impermeable, o vapor e/ou auga quente ascenden ata a superficie e aproveitase a súa enerxía calorífica para transformala en enerxía eléctrica. A miúdo polo efecto da gran presión interior e debido a movementos sísmicos, rómpese a roca impermeable que está cerca da superficie orixinando a saída de auga e/ou vapor a gran presión. Este fenómeno coñécese co nome de geyser.

Xacementos xeopresurizados: son iguais que os anteriores, pero nestes casos a auga atópase a profundidades maiores. Isto orixina que a presión da auga sexa moi grande. Normalmente a auga está en estado líquido a pesar de alcanzar temperaturas de 200 ºC. Ademais, a estas temperaturas tamén soe aparecer gas natural, co que obtemos outro tipo de enerxías: enerxía calorífica da auga, enerxía de presión da auga e enerxía química do gas natural.

Xacementos de roca quente: están formados por rocas impermeables que teñen unha temperatura que oscila entre os 150 e 300 ºC. Non existe fluído (auga) nas rocas. A solución para extraer o calor é facer dúas perforacións e introducir auga fría por unha delas, para obter auga quente pola outra. O problema é que toda a roca é impermeable e a auga non pasa dun conduto ó outro. Si os colocamos xuntos hai pouca transferencia de calor debido a pouca condutividade da roca. Na actualidade ensáianse novos métodos para poder extraer o máximo de enerxía.

2.4.2.- VANTAXES E INCONVENIENTES DO USO DA ENERXÍA XEOTÉRMICA.

A vantaxe que presenta é que é unha enerxía gratis e inesgotable, pero como inconvenientes presenta a posible contaminación das augas do entorno, debido a que a auga extraída contén sustancias nocivas; e a emisión de CO2 á atmosfera.

2.5.- RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS (RSU).

Son aqueles residuos xerados pola actividade doméstica nos núcleos de poboación e zonas de influencia. O tratamento destes residuos lévase a cabo mediante os seguintes métodos:

Incineración: consiste en queimar os residuos combustibles, xeralmente, para obter enerxía eléctrica ou calorífica. Outra solución é permitir a fermentación dos residuos orgánicos para obter biogás que logo empregaremos como combustible.



Outros métodos: presentan como característica que non son métodos de obtención de enerxía. Os máis usuais son:

Vertido controlado: os residuos son enterrados en lugares adecuados para evitar que contaminen o medio ambiente.

Compostaxe: ferméntanse os residuos de orixe orgánico para posteriormente empregalos como abonos.

Reciclado: consiste en separar e clasificar os compoñentes que poden ser empregados como materia prima para fabricar outros produtos. Por exemplo: vidro, papel, plástico, etc.

2.6.- ENERXÍA DOS OCÉANOS

Os océanos actúan como captadores e acumuladores de enerxía, que se intenta aproveitar para satisfacer as nosas necesidades energéticas. As formas de aprovechamiento son:

Diferenza de altura das mareas (Enerxía mareomotriz) Gradientes térmicos (Enerxía maremotérmica) Olas (Enerxía das olas)

2.6.1.- ENERGIA MAREOMOTRIZ

2.6.1.1.- MAREAS

Na maioría dos lugares hai dúas mareas altas e dúas mareas baixas por día ((Ao sur do mar de Chinesa só hai unha marea ao día; en Tahití as mareas non están relacionadas en absoluto comovemento da Lúa, senón que ten lugar regularmente ao mediodía e a medianoche “mareas solares”.

As mareas altas generalmente teñen lugar cando a lúa está no horizonte

As mareas máis altas son as da lúa chea e a lúa nova; as máis baixas, a medio camiño entre eses puntos. As mareas altas de lúa chea e nova chámanse mareas vivas, as máis baixas noprimeiro e terceiro cuartos chámanse mareas mortas

O grado das mareas (diferenza de altura) é generalmente de 1 a 3 metros, pero poden ser moito máis altas (12 m en Francia, 15 m en Canadá) ou máis baixas (15 a 30 cm no Mediterráneo) nalgúns lugares.

A explicación das mareas solares, as mareas diarias do sur de Chinesa, ou as mareas de 15 m da bahía de Fundy (Newfoundland) é debida ás irregularidades dos fondos oceánicos.

As mareas dependen de:

- A atracción gravitatoria Terra – Lúa

- Forza centrífuga

- Atracción gravitatoria Sol -Terra- Lúa



- Profundidade dos océanos

- Irregularidades dos fondos oceánicos

2.6.1.2.- CENTRAIS MAREOMOTRICES. CARACTERÍSTICAS. FUNCIONAMENTO

A potencia aprovechable das mareas a escala mundial é da orde de 60 a 70 millóns de Kw anuais, que é o equivalente energético de 2000 millóns de toneladas de carbón. A capacidade de produción real é moi limitada, pois para que sexa rendible construír unha central mareomotriz, é necesario que:

- A diferenza de alturas das mareas sexa significativamente grande (mínimo 5 m) - A fisonomía da costa permita a construción de diques

A construción dunha central mareomotriz require o cerramiento dun estuario ou unha bahía mediante un dique provisto de compuertas. En cada unha delas instálase unha turbina tipo bulbo de baixa presión e de palas orientables, conectada a un alternador. Estes grupos son capaces de funcionar como xeradores de electricidade e como bombas de impulsión do auga en ambos sentidos

A secuencia de funcionamento durante un ciclo pleamar – bajamar é a seguinte:

1. Ao subir a marea, a auga penetra no embalse e acciona os grupos turbina-alternador, cos que se obtén enerxía eléctrica

2. Ao final da pleamar, as turbinas actúan como bombas e provocan o sobrellenado do embalse

3. Cando baixa a marea, a auga regresa de novo ao mar, volve accionar os grupos

turbina alternador e de novo obtense enerxía eléctrica

4. Ao final da bajamar, as turbinas actúan outra vez como bombas e provocan un

sobrevaciado do embalse. 5. Os álabes das turbinas, poden variar a súa posición e deixar paso libre ao auga

en caso de necesidade.

Esquema de funcionamento dunha central mareomotriz



A única central mareomotriz operativa na actualidade é a do estuario da Rance, en Francia, inaugurada en 1967. Outros proxectos abandonados por problemas técnicos son: Bahía de Fundy en Canadá, ou Estuario do río Severn en Gran Bretaña.

En España, hai un proxecto para a costa de Santoña, en Cantabria. A planta podería atender ao consumo doméstico anual duns 2.500 fogares.

VANTAXES E INCONVENIENTES

Vantaxes

Fonte de enerxía renovable

Disponibilidad todo o ano

Apto para aquelas zonas nas que non chega o fornezo de xeito convencional

Desvantaxes

Depende da diferenza de amplitud das

mareas

Impacto visual

Impacto nos ecosistemas da zona

Alto custo das instalacións.



2.6.2.- ENERXIA MAREMOTÉRMICA

A absorción de enerxía solar polo mar, dá lugar a que a auga da superficie posúa un nivel térmico superior ao das capas inferiores, podendo variar ata 25ouC desde a superficie a 1000 m de profundidade, sendo esta diferenza de temperatura constante ao longo do ano.

Para aproveitar este gradiente térmico empréganse os motores térmicos, que funcionan entre dous focos de calor; o foco quente á temperatura do auga superficial (Tc) e o foco frío ou punto a menos temperatura (Tf).

A transformación da enerxía térmica en eléctrica, lévase a cabo por medio do

ciclo de “Rankine”, no que un líquido se evapora para pasar logo a unha turbina. O ciclo pode ser aberto ou pechado.

- Aberto: Utilizan directamente a auga do mar. A auga da superficie se evapora a baixa presión e acciona as turbinas. Posteriormente devólvese ao mar onde se licúa de novo.

- Pechado: Utilízanse fluídos de baixo punto de ebullición, como o amoniaco, o freón ou o propano.

A calor das augas superficiais é suficiente para evaporarlos. O vapor xerado

utilízase para mover as turbinas, e posteriormente é arrefriado utilizando auga das capas profundas, co que o ciclo volve comezar.

Os compoñentes principais dunha planta maremotérmica, son:

- Evaporador - Turbina

- Condensador - Tuberías e bombas

- Estrutura fixa ou flotante

- Sistema de anclaje

- Cable submarino (central flotante)

Problemas principais:

- Escasa diferenza de temperatura

- Necesaria enerxía para bombear a auga das profundidades

- Problemas de corrosión.

Usos dunha planta maremotérmica:

- Produción de enerxía eléctrica

- Produción de auga potable nos sistemas de ciclo aberto



- Xeración de hidrógeno

- Acuicultura, utilizando a auga das profundidades, máis rica en nutrientes, paradesenvolver diferentes especies mariñas

2.6.3.- ENERXÍA DAS OLAS (UNDIMOTRIZ)

As olas que se producen na superficie do mar son provocadas polos ventos, dos que recollen e almacenan enerxía. Ao non ser estes constantes nin en velocidade nin en dirección, as olas producidas non son regulares, polo que é bastante complicado determinar e aproveitar a enerxía que transportan. Como aproximación, unha ola de 3 m de altura é capaz de fornecer entre 25 e 40 kW por metro de fronte.

O aprovechamiento é difícil e complicado, e o rendemento obtido é moi baixo, ao que hai que engadir o impacto ambiental que sufriría a zona.

Os captadores de olas, todos aínda en fase experimental, poden ser de dous tipos:

- Activos: os elementos da estrutura móvense como resposta á ola e extráese a

enerxía utilizando o movemento relativo que se orixina entre as partes fixas e móbiles

- Pasivos: A estrutura fíxase ao fondo do mar ou na costa e extráese a enerxía

directamente do movemento das partículas de auga.

Pódense aproveitar tres fenómenos básicos que se producen nas olas:

- Empuxe da ola

- Variación da altura da superficie da ola

- Variación da presión baixo a superficie da ola.

Os absorbedores máis rendibles caracterízanse en tres grupos:

- Totalizadores: Situados perpendicularmente á dirección da ola incidente, é dicir, paralelo á fronte de ola para captar a enerxía dunha soa vez (Rectificador Russel, Pato Salter, Balsa Cockerell)

-

- Atenuadores: Longas estruturas co seu eixe maior colocado paralelo á dirección de propagación das olas, para absorber a enerxía dun modo progresivo (Buque Kaimei, Bolsa de Lancaster)

- Absorbedores puntuales: Captan a enerxía da porción de ola incidente e a dunha contorna máis ou menos ampla. Adoitan ser corpos de revolución, polo que non importa a dirección

En España aínda non se aproveita este tipo de enerxía de forma comercial, soamente en Cantabria e o País Vasco existen dous centrais piloto, unha en Santoña e outra en Mutriku (Guipúzcoa). Tamén existe un proxecto para instalar unha planta en Granadilla (Tenerife).



Na costa Portuguesa, inaugurouse parte dunha planta en setembro de 2008, pero pechouse en marzo de 2009 por problemas técnicos e financeiros.

Tema 3 energías renovables

Education

Transcript of Tema 3 energías renovables