Los PLC´s y la generación de energía eléctrica mediante energía eólica y las biomasas

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Los PLC´s y la generación de energía eléctrica mediante energía eólica y las biomasas. Autor: José Roslan Martínez Díaz Tutor: M.Sc. Luis Alberto Hernández Lugones. Santa Clara 2016.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Los PLC´s y la generación de energía eléctrica mediante energía eólica y las biomasas. Autor: José Roslan Martínez Díaz diaz@uclv.cu Tutor: M.Sc. Luis Alberto Hernández Lugones Lugones@uclv.edu.cu. Santa Clara 2016.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) PENSAMIENTO. Una ciencia es tanto más útil cuanto más universalmente pueden comprenderse sus producciones y, al contrario, lo serán menos en la medida en que éstas sean menos comunicables. Leonardo Da Vinci. i.

(5) DEDICATORIA. Este trabajo se lo dedico en especial a mis dos ídolos, mis padres. También se lo dedico a mi abuelo, a mi novia, a mi familia y a todos mis amigos. A todos ustedes les dedico mi primer logro.. ii.

(6) AGRADECIMIENTOS. En especial mis más sinceros agradecimientos a mi tutor ya que sin él no hubiese sido posible la realización de este trabajo y a mi familia por ayudarme en este largo camino. Le agradezco a mi Facultad de Ingeniería Eléctrica y a mis profesores por prepararme y hacer de mí una mejor persona. “A TODOS MUCHAS GRACIAS”. iii.

(7) TAREA TÉCNICA. . Caracterización de la energía eólica, en el mundo y en Cuba.. . Caracterización del uso de las biomasas para la generación de electricidad, en el mundo y en Cuba.. . Investigación sobre los sistemas de control automático para la generación eléctrica con energía eólica y con biomasas.. . Descripción de los Controladores Lógicos Programables (PLC) y aplicaciones en la generación de electricidad con energía eólica y con biomasas.. . Conformación de informe de investigación.. Firma del Autor. Firma del Tutor. iv.

(8) RESUMEN. En la actualidad el uso de las fuentes renovables de energía para la generación de electricidad está en constante desarrollo en el mundo debido a las ventajas que estas presentan. La energía eólica y la biomasa son dos de las fuentes renovables más usadas ya que presentan un gran beneficio al no contaminar el aire y el agua de la forma en la que lo hacen la quema de combustibles fósiles. Los autómatas programables son equipos electrónicos que ocupan un papel muy importante en una industria ya que estos gestionan y controlan automáticamente a la instalación. El presente trabajo tiene como objetivo describir el desarrollo de la generación de energía eléctrica a través de la energía eólica y de las biomasas y la utilización de los PLC´s en esta.. v.

(9) ÍNDICE INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS.................................................................................. 4 1.1 Historia de la energía eólica .......................................................................... 4 1.2 Generalidades de la energía eólica ............................................................... 6 1.3 Funcionamiento de un aerogenerador ........................................................... 8 1.4 Tipos de aerogeneradores........................................................................... 10 1.4.1 Eje vertical ............................................................................................ 11 1.4.2 Eje horizontal ........................................................................................ 12 1.5 Aerogeneradores domésticos ...................................................................... 12 1.6 Sistemas de control de los aerogeneradores .............................................. 13 1.7 Ventajas y desventajas de la energía eólica................................................ 15 1.8 La energía eólica en el mundo .................................................................... 18 1.9 Energía eólica en Cuba ............................................................................... 19 1.10 Energía de la biomasa ............................................................................... 20 1.11 Formas de aprovechamiento de la biomasa .............................................. 21 1.12 Conversión de la biomasa en energía ....................................................... 22 1.12.1 Uso eléctrico de la biomasa ................................................................ 24 1.13 Ventajas y Desventajas de la Biomasa...................................................... 25 1.14 Sistemas de control de las Plantas de Biomasa ........................................ 26 1.15 Biomasa en el mundo ................................................................................ 26 1.16 Energía de la Biomasa en Cuba ................................................................ 27 Conclusiones del capítulo .................................................................................. 29 CAPÍTULO 2. LOS CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC) Y LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON BIOMASAS Y CON ENERGÍA EÓLICA ................................................................................................................. 30 2.1 Reseña histórica .......................................................................................... 30 2.2 Características Generales ........................................................................... 31 2.3 Sistema de entradas y salidas ..................................................................... 33 vi.

(10) 2.4 Funciones básicas de un PLC ..................................................................... 34 2.5 Ventajas y desventajas de los autómatas programables ............................. 35 2.6 Campos de aplicación ................................................................................. 36 2.7 Utilización de los PLC´s en la obtención de energía eléctrica a través del viento ................................................................................................................. 37 2.8 Utilización de los PLC´s en la obtención de energía eléctrica a través de las biomasas ........................................................................................................... 41 2.9 Desarrollo del uso de los autómatas programables en Cuba para la generación de energía eléctrica con estas dos fuentes renovables .................. 43 Conclusiones del capítulo .................................................................................. 43 CONCLUSIONES ................................................................................................. 44 RECOMENDACIONES ......................................................................................... 45 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 46 ANEXOS ............................................................................................................... 49. vii.

(11) INTRODUCCIÓN. Los problemas energéticos son de los grandes retos que enfrenta la sociedad. Más del 86% de la energía mundial proviene de la quema de combustibles fósiles y las demandas mundiales de energía crecen rápidamente. La energía eólica representa una de las fuentes más promisorias de energía renovable en la actualidad. El uso de esta energía posee varias ventajas ya que esta es renovable: siempre habrá viento hasta que el Sol se extinga o la atmósfera desaparezca, es una energía limpia sin emisión de gases de efecto invernadero. El impacto ambiental de las instalaciones eólicas es muy pequeño. Esta es la fuente de electricidad de más rápido crecimiento en el mundo, no obstante a esto, la generación eólica posee el inconveniente de que depende de factores tan aleatorios como estaciones del año, el horario del día y las condiciones meteorológicas, etc. En Cuba la política del estado se orienta hacia el aprovechamiento de las fuentes renovables de energía y la eólica es una de ellas, impulsadas principalmente por motivos económicos y medioambientales, debido al abaratamiento del costo de generación de energía eléctrica a través de la energía eólica en el mundo. La energía del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores) capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices, como para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como aerogenerador. La energía que se obtiene de la biomasa es también una de las fuentes renovables de gran importancia para la humanidad. La biomasa incluye la madera, plantas de crecimiento rápido, algas cultivadas, restos de animales, restos de. 1.

(12) INTRODUCCIÓN. cosechas, entre otros. Es una fuente de energía procedente, en último lugar, del Sol, y es renovable siempre que se use adecuadamente. La biomasa era la fuente energética más importante para la humanidad hasta el inicio de la revolución industrial, pero su uso fue disminuyendo al ser sustituido por el uso masivo de combustibles fósiles. La biomasa tiene un amplio abanico de usos, tales como, el uso directo quemándola para obtener calor o para generar electricidad mediante turbinas de vapor. La biomasa también se puede emplear en la obtención de gas metano, biodiesel y otros biocombustibles [1]. La biomasa se puede clasificar en tres grandes grupos: natural, residual y biomasa producida. De todas las fuentes renovables de energía, la biomasa se diferencia en que almacena energía solar con eficiencia. Además, es la única fuente renovable de carbón que es procesada convenientemente en combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. Utilizar esta energía recicla al carbón y no añade dióxido de carbono al medio ambiente, en contraste con los combustibles fósiles. Algunas de las limitaciones de la biomasa es que tiene una densidad a granel baja, esto significa que son necesarios grandes volúmenes de materia para obtener la misma cantidad de energía que la extracción de los combustibles fósiles no renovables; lo que hace además su transporte y su administración difíciles y costosos. El reto del futuro es conseguir una fuente de energía barata, no contaminante, renovable y accesible para todos los países del mundo, que permita mitigar la servil dependencia ante el petróleo. Para lograr que estas energías trabajen de una forma más eficiente se han incorporado a sus tecnologías los Autómatas Programable (PLC),. que están. compuesto por uno o más microprocesadores que componen la unidad central de proceso, una etapa de memoria donde está el programa de control, un dispositivo de visualización y una etapa con entradas y salidas con sus respectivos convertidores, a través de la cual el sistema de control se comunica con los sensores y los sistemas que se desea gobernar. Asimismo, se puede conectar a 2.

(13) INTRODUCCIÓN. un equipo de programación, mediante el cual se puede introducir o modificar el programa de control [2]. Luego de esta breve panorámica se propone el siguiente problema científico: ¿Qué papel tiene la utilización de los PLC´s en el desarrollo de la generación de energía eléctrica a través de la energía del viento y de las biomasas? Objetivo general: Describir el desarrollo de la generación de energía eléctrica mediante la energía del viento y de las biomasas así como el papel que ocupa la utilización de los autómatas programables en esta. Objetivos específicos: . Describir la utilización de la energía eólica y del uso de la biomasa con fines energéticos, en el mundo y en Cuba.. . Describir los sistemas de control automático para la generación eléctrica con energía eólica y con biomasas.. . Describir las principales aplicaciones de los PLC´s y su importancia.. Organización del informe: El informe está organizado de la siguiente manera: . En el capítulo 1 se hace una descripción detallada del desarrollo de la energía eólica y de las biomasas con fines energéticos en Cuba y en el mundo.. . En el capítulo 2 se hace una descripción de los Controladores Lógicos Programables (PLC) y la generación de energía eléctrica con biomasas y con energía eólica.. 3.

(14) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. 1.1 Historia de la energía eólica Es evidente que en la antigüedad no se conocían estos datos, pero intuitivamente eran conocedores del gran potencial de esta energía. Así la historia muestra que ya existían artilugios y molinos de viento en la antigua Persia, Irak, Egipto y China. La primera referencia histórica de que se dispone sobre el aprovechamiento del viento son unos molinos de eje vertical que figuran en obras gráficas del siglo V a. de C. Los citan en el Sijistán, situado entre lo que hoy en día es Irán y Afganistán. Otras referencias históricas destacan que, hacia el siglo II a. de C. Herón de Alejandría construyó un molino de viento para mover los fuelles de un órgano y en el 1700 a. de C. una máquina eólica que se utilizaba para bombear agua en Alejandría [3]. Hacia el siglo VII aparecieron en Europa, procedentes del este, grandes molinos de eje horizontal con cuatro palas. Estos molinos eran muy adecuados para vientos del orden de 5 m/s (20 km/h). Es a partir de los siglos XII-XIII cuando empieza a generalizarse el uso de los molinos de viento para la elevación del agua y la molienda del grano, los más antiguos aparecieron en Turquía, en Irán y en Afganistán. A principios del siglo XII Europa se llenó a su vez de molinos, sobre todo en Bélgica y en los Países Bajos. Entre la segunda mitad de los siglos XVIII y la segunda mitad del XIX, los molinos de viento europeos alcanzan su más alto nivel de perfeccionamiento, dentro de las limitaciones de la tecnología artesanal. El desarrollo de los molinos de viento se interrumpe con la revolución industrial y la utilización masiva del vapor, la electricidad y los combustibles fósiles como fuentes de energía motriz. Es, sin embargo, en la segunda mitad del siglo XIX cuando tiene lugar uno de los más importantes avances en la tecnología del aprovechamiento del viento, con la aparición del popular “Molino multipala tipo americano”, utilizado para bombeo de 4.

(15) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. agua prácticamente en todo el mundo, y cuyas características habrían de sentar las bases para el diseño de los molinos generadores eólicos. Los aerogeneradores de eje vertical derivan todos ellos del inventado en 1925 por el Ingeniero Francés Darrieus, patentado en los Estados Unidos y luego caído en un olvido casi total. El bajo precio del petróleo determinó entonces la suspensión total de los grandes proyectos en todo el mundo. Pero en los años 70, coincidiendo con la primera crisis del petróleo, se inicia una nueva etapa en el aprovechamiento de la energía del viento. Las aplicaciones de las modernas tecnologías, y en especial de las desarrolladas para aviación, dieron como resultado la aparición de una nueva generación de máquinas eólicas perfeccionadas, que permitían su explotación, bajo criterios de rentabilidad económica, en zonas de potencial eólico elevado. A lo largo del siglo XX, las aplicaciones basadas en el aprovechamiento del viento fueron declinando, a medida que se hacía más popular el uso del petróleo. Sin embargo, la crisis energética inició de nuevo un período en el campo del aprovechamiento eólico, elaborándose innumerables programas de estudio que centraron su interés en dos grandes aspectos [3]: . Elaboración de mapas eólicos y localización de emplazamientos.. . Cálculo, diseño y construcción de plantas de gran potencia.. Paralelamente se crearon incentivos para motivar la iniciativa privada a fabricar y comercializar pequeñas máquinas que permitan cubrir las necesidades de explotaciones agrícolas o industriales situadas en zonas apartadas. Fue a partir de 1981 cuando realmente comenzó el verdadero auge de la generación eólica. Aquel año aumentó la rentabilidad de la energía eólica debido al incremento en el rendimiento conseguido gracias a la innovación tecnológica, a la experiencia de los fabricantes y de los promotores, que aprendieron a seleccionar emplazamientos mejores. Algo muy importante a destacar es que el mantenimiento se acomodó a los periodos de escaso viento. En 2001 se creó en Dinamarca la Asociación Mundial de Energía Eólica (World Wind Energy Association), con sede en Bonn (Alemania) y concebida como una. 5.

(16) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. organización internacional para la promoción mundial de esta fuente de energía. Cuenta actualmente con unos 500 miembros en más de cien países. 1.2 Generalidades de la energía eólica La energía eólica es la energía obtenida a partir del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es convertida en otras formas útiles de energía para las actividades humanas. El término «eólico» proviene del latín aeolicus, que significa «perteneciente o relativo a Eolo», dios de los vientos en la mitología griega [4]. En la actualidad, la energía eólica es utilizada principalmente para producir electricidad mediante aerogeneradores conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica. Los parques eólicos construidos en tierra suponen una fuente de energía cada vez más barata y competitiva, e incluso más barata en muchas regiones que otras fuentes de energía convencionales. Pequeñas instalaciones eólicas pueden, por ejemplo, proporcionar electricidad en regiones remotas y aisladas que no tienen acceso a la red eléctrica, al igual que la energía solar fotovoltaica. Las compañías eléctricas distribuidoras adquieren cada vez en mayor medida el excedente de electricidad producido por pequeñas instalaciones eólicas domésticas. El auge de la energía eólica ha provocado también la planificación y construcción de parques eólicos marinos (a menudo conocidos como parques eólicos offshore por su nombre en inglés), situados cerca de las costas. La energía del viento es más estable y fuerte en el mar que en tierra, y los parques eólicos marinos tienen un impacto visual menor, pero sus costos de construcción y mantenimiento son considerablemente mayores. A finales de 2014, la capacidad mundial instalada de energía eólica ascendía a 370 GW, generando alrededor del 5 % del consumo de electricidad mundial. Dinamarca genera más de un 25 % de su electricidad mediante energía eólica, y más de 80 países en todo el mundo la utilizan de forma creciente para proporcionar energía eléctrica en sus redes de distribución, aumentando su capacidad anualmente con tasas por encima del 20 %. En España la energía eólica produjo un 20,3 % del consumo eléctrico de la península en 2014, 6.

(17) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. convirtiéndose en la segunda tecnología con mayor contribución a la cobertura de la demanda, muy cerca de la energía nuclear con un 22,0 % [4]. La energía eólica es un recurso abundante, renovable y limpio que ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar fuentes de energía a base de combustibles fósiles. El impacto ambiental de este tipo de energía es además, generalmente, menos problemático que el de otras fuentes de energía. La energía del viento es bastante estable y predecible a escala anual, aunque presenta variaciones significativas a escalas de tiempo menores. Al incrementarse la proporción de energía eólica producida en una determinada región o país, se hace imprescindible establecer una serie de mejoras en la red eléctrica local. Diversas técnicas de control energético, como una mayor capacidad de almacenamiento de energía, una distribución geográfica amplia de los aerogeneradores, la disponibilidad de fuentes de energía de respaldo, la posibilidad de exportar o importar energía a regiones vecinas o la reducción de la demanda cuando la producción eólica es menor, pueden ayudar a mitigar en gran medida estos problemas. Adicionalmente, la predicción meteorológica permite a los gestores de la red eléctrica estar preparados frente a las previsibles variaciones en la producción eólica que puedan tener lugar a corto plazo [4]. Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y los valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se vaya a utilizar pero que suele empezar entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4 km/h), velocidad llamada "cut-in speed", y que no supere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada "cut-out speed" [4].. 7.

(18) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. 1.3 Funcionamiento de un aerogenerador Los aerogeneradores poseen un sistema de control que analiza los datos de velocidad y dirección del viento. Estos datos son recogidos por un anemómetro y una veleta que se sitúan normalmente en la zona trasera del techo de la góndola. De esta manera, el sistema de control envía la señal con los datos a un armario eléctrico situado en el interior de la góndola. Este armario se encargará de activar eléctricamente los motorreductores del sistema de orientación (sistema Yaw). Estos motorreductores están engranados con los dientes de una corona firmemente unida a la torre en su parte más alta. Cuando los motorreductores se activan, hacen girar la góndola, posicionándola a barlovento, que es la dirección desde la que llega el viento. En esta situación, el aire es obligado a fluir por las caras de las palas generando una diferencia de presiones y dando origen a una fuerza resultante que actúa sobre el perfil de las palas. Si se descompone esta fuerza en dos direcciones, se encuentra la fuerza de sustentación, perpendicular al viento, que produce el movimiento rotatorio de las mismas. Esta fuerza de sustentación de las palas está regulada por otro sistema, el de cambio de paso (sistema Pitch). Hay una particularidad, y es que este sistema puede ser independiente en cada pala y se encarga así de que cada una de ellas gire en torno a su eje longitudinal para ajustar su posición angular. Las variaciones del ángulo de paso de las palas se consigue gracias a un sistema hidráulico ubicado dentro de la góndola, y permite a las palas un abanico de rotación que suele ir, aproximadamente, desde - 5º a 90º [3]. La rotación se realiza a través de un rodamiento que está escondido entre la pala y el buje, es el llamado rodamiento de pala. Algo importante que hay que tener en cuenta es que las palas también sirven de freno aerodinámico cuando el ángulo de paso se acerca a 90º, es lo que se denomina la posición de bandera. Para que un aerogenerador se ponga en marcha es necesario un valor mínimo de velocidad del viento para vencer los rozamientos y comenzar así a producir trabajo útil. A este valor mínimo se le denomina velocidad de conexión (comprendida entre los 3 m/s y 5 m/s). Sin esta velocidad no es posible arrancar un aerogenerador. 8.

(19) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. El sistema de control, del que ya se ha hablado, permite que el aerogenerador funcione a velocidad variable maximizando en todo momento la potencia producida y minimizando las cargas mecánicas y el ruido. Resumiendo lo explicado hasta ahora: el viento sopla e incide sobre las palas, éstas giran transmitiendo el movimiento que provoca el viento sobre el rotor hasta la multiplicadora, a través de lo que se conoce como tren de potencia o eje principal. Este eje principal está unido al buje y a la entrada del eje de baja velocidad de la multiplicadora. En esta situación, mediante un acoplamiento, la multiplicadora va a transmitir la potencia del eje principal al generador. Así mismo, en la salida del eje de alta velocidad de la multiplicadora existe un freno de disco que se activa también hidráulicamente y cuyo uso principal es impedir el inicio de giro una vez que se ha detenido el aerogenerador. Como ya se ha dicho, hay todo un sistema hidráulico que gestiona numerosos elementos. Este sistema hidráulico proporciona aceite bajo presión a todos los sistemas citados: el sistema de giro o de orientación, el sistema de cambio de paso y el freno de disco del eje de la multiplicadora, entre otros. Si se imagina ahora el eje de alta velocidad de la multiplicadora, lo siguiente que hay que considerar es el generador, es decir, el elemento eléctrico principal del aerogenerador. El generador es el encargado de convertir la potencia mecánica del viento, trasmitida desde las palas a través del eje principal, en potencia eléctrica que se suministrará a la red. En el caso de los aerogeneradores, la velocidad variable del viento hace que el caudal que incide en las palas, atravesando su área de barrido, sea diferente en cada instante [3]. Por ello, el rotor del generador variará con la variación de la velocidad de viento. Esto es muy importante tenerlo en cuenta porque justifica el que se emplee un generador asíncrono. En este tipo de generadores, la frecuencia angular de la onda generada y la frecuencia angular de la velocidad de giro del rotor del generador son diferentes. La primera de ellas tiene que ser equivalente a la frecuencia de la red (para garantizar la estabilidad), mientras que la segunda vendrá impuesta, de forma general, por la velocidad del viento. Los generadores 9.

(20) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. (o máquinas de inducción) más utilizados hoy en día son doblemente alimentados. Este sistema doblemente alimentado está formado por un generador asíncrono en donde tanto el rotor como el estator están conectados a la red. El estator se conecta directamente y el rotor se conecta a un convertidor de frecuencia (a través de la electrónica de potencia). A su vez, este convertidor está conectado también a la red. En todo este apartado juegan un papel fundamental los armarios eléctricos, donde se encuentra el sistema de control de potencia (CCU). Este controla la potencia activa y reactiva con el convertidor de frecuencia, el cual está conectado al rotor del generador. Todas estas funciones se reparten en armarios eléctricos cuyos nombres nos dan una idea de su localización en el aerogenerador: el armario Top (situado en la góndola), el Ground (situado en la base de la torre) y el Hub (situado en la parte giratoria del aerogenerador) [3]. Después del generador aparece otro elemento muy importante: el transformador. La función del transformador es adecuar el nivel de tensión de generación al nivel de la red de media tensión para poder transmitir toda la potencia generada o consumida por el aerogenerador. El transformador eleva la generación de baja tensión hasta el valor correspondiente de media tensión. Luego será la subestación del parque la encargada de inyectarla a la red eléctrica para su distribución. Entre el transformador de BT/MT existe el denominado sistema de celdas de media tensión, ubicado a veces en la plataforma inferior de la torre, junto a la entrada. La misión de las celdas de media tensión es la de proteger al aerogenerador ante posibles fallas de energía en el mismo, especialmente a los cables de media tensión y al transformador de potencia y, a la vez, conectar al aerogenerador con la subestación eléctrica de distribución para evacuar así la energía producida. 1.4 Tipos de aerogeneradores El aerogenerador según la disposición de sus ejes se puede clasificar de dos formas, las cuales son:. 10.

(21) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. 1.4.1 Eje vertical Su eje de rotación está en posición perpendicular con respecto al suelo. Son aerogeneradores de fácil instalación que no necesitan de una gran torre para funcionar, lo que los hace más económicos que los de eje horizontal, al ahorrarse gran parte de la infraestructura. Son mucho más cómodos de reparar pues todos los elementos de transformación de la energía del viento se encuentran en el suelo. Los aerogeneradores de eje vertical tienen la ventaja de adaptarse a cualquier dirección del viento. No es necesario que dispongan de ningún mecanismo de orientación ante cambios de la dirección del viento. Son ideales en zonas de viento débil. La forma ovalada de las palas permite hacerlo girar y producir electricidad. La máxima desventaja del aerogenerador de eje vertical es su bajo rendimiento, debido a la resistencia que las palas ofrecen al viento y a la poca altura a que se encuentra el rotor; además su tecnología se quedó estancada al no ser capaces de crecer en el aprovechamiento del viento puesto que el eje no supera mucha altura y las velocidades del viento disminuyen al llegar al suelo por efecto de la rugosidad del mismo. La velocidad del viento es muy superior a más altura, con lo que estos aerogeneradores han ido quedando atrás con respecto a los de eje horizontal. Los aerogeneradores de eje vertical a su vez se clasifican en: Savonius: El modelo de rotor Savonius es el más simple. Consiste en un cilindro hueco partido por la mitad, en el cual sus dos mitades han sido desplazadas para convertirlas en una S. Las partes cóncavas de la S captan el viento, mientras que los reversos presentan una menor resistencia al viento, por lo que puede arrancar con poco viento. Este sistema tiene el inconveniente de presentar una sobrepresión en el interior de las zonas cóncavas al no poder salir el aire perjudicando el rendimiento, el sistema queda mejorado separando ambas palas y dejando un hueco entre ambas para que exista un flujo de aire. Debido a la gran resistencia al aire que ofrece este tipo de rotor, solo puede ser utilizado a bajas velocidades y su rendimiento es relativamente bajo. Es por tanto útil para aplicaciones de tipo mecánico, como el bombeo de agua [5]. 11.

(22) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. Darrieus: Es el más popular de los aerogeneradores de eje vertical, permite mayores velocidades que las del rotor Savonius, pero no alcanza a las de un rotor de eje horizontal. El Darrieus no necesita de un sistema de orientación. Esta característica de captación omnidireccional le permite ser instalado en cualquier terreno sin necesidad de levantar altas torres, lo cual se traduce en un ahorro sustancial. Al poseer una forma parecida a una cuerda para saltar, hace que los alerones del Darrieus experimenten una fuerte fuerza centrífuga. Estos aerogeneradores emplean la sustentación de sus palas, tienen un par de arranque débil y una velocidad de rotación importante, pueden ser de dos, tres o más palas y para mejorar su par de arranque se les suele acoplar un aerogenerador Savonius (pequeño) o usar un sistema eléctrico para la partida. Requiere para un correcto funcionamiento, vientos de 4 a 5 m/s como mínimo, manteniendo grandes velocidades de giro y un buen rendimiento [5]. 1.4.2 Eje horizontal Los aerogeneradores de eje horizontal a diferencia de los anteriores aprovechan más el viento. La altura que se consigue situar el eje que mueve el generador es muy superior a los anteriores y a esto se debe que estas turbinas eólicas sean las más utilizadas en la actualidad. Su tecnología sigue creciendo no solo por la altura sino por la calidad y medios mejorados de los componentes que se utilizan en la generación de electricidad, por lo que son más eficaces, su desventaja es que son más costosos que los de eje vertical y además sus aspas no soportan grandes velocidades por la posición del equipo respecto al viento. 1.5 Aerogeneradores domésticos La energía eólica no está solo presente en los grandes parques eólicos, también puede ser aprovechada en las ciudades. El conocimiento de las instalaciones de energía solar en las cubiertas de los edificios está ampliamente extendido, pero también existen aerogeneradores domésticos con los que poder obtener gran parte de la electricidad consumida en los hogares [6]. Las ventajas de los aerogeneradores domésticos son: 12.

(23) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. 1. Al estar en las propias viviendas, la generación de electricidad se encuentra muy próxima a los puntos de consumo, disminuyendo así las pérdidas por transporte y distribución. 2. No requieren fuertes vientos para comenzar a aprovechar su energía. El desarrollo de esta tecnología ha conseguido que se pueda comenzar a generar electricidad con velocidades de arranque de 1 m/s. 3. No son necesarias grandes extensiones de terreno. Los aerogeneradores domésticos se pueden ubicar en pequeños emplazamientos. 4. Pueden ser utilizados en sistemas aislados de la red eléctrica. 5. Los costos de operación y mantenimiento son muy reducidos debido a su sencillez. 6. Su menor tamaño hace que su impacto ambiental sea, también, muy reducido. Mientras que los inconvenientes son: 1. Algunas turbinas de mayor potencia pueden generar ruido, vibraciones y turbulencias. 2. En ambiente urbano, el viento se encuentra ante muchos obstáculos (edificios, árboles), lo que se traduce en vientos con altas turbulencias que se transforman en menores rendimientos. 3. No es posible extraer energía eólica en cualquier lugar, por lo que es necesario evaluar el potencial eólico de cada zona y ver si existe recurso eólico suficiente para que valga la pena realizar la instalación. Para instalaciones en ciudad es más complejo determinar este recurso por la variabilidad de las alturas de los obstáculos. 1.6 Sistemas de control de los aerogeneradores Las funciones del aerogenerador están por un sistema de control con los siguientes subsistemas [3]. Sistema de regulación: se encarga de seleccionar los valores adecuados de velocidad de giro del aerogenerador, del ángulo de paso de las palas, y de potencia. Éstas se modifican en cada instante dependiendo de la velocidad del 13.

(24) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. viento que llega a la máquina, garantizando así una operación segura y fiable en cualquier condición de viento existente. Las principales ventajas del sistema de regulación son: . Maximización de la producción de energía.. . Limitación de las cargas mecánicas. . Reducción del ruido aerodinámico.. . Alta calidad de energía.. Regulación del pitch: a velocidades de viento por encima de la nominal, el sistema de control y el sistema de cambio de paso mantienen la potencia en su valor nominal. Con velocidades de viento por debajo de la nominal, el sistema de cambio de paso variable y de control optimiza la producción de energía seleccionando la combinación óptima de revoluciones y ángulo de paso. Regulación de potencia: el sistema de regulación de potencia o CPU trata de asegurar que las revoluciones por minuto y el par motor del aerogenerador siempre suministren una potencia eléctrica estable a la red. El conjunto formado por el generador y el convertidor de frecuencia es equiparable al de un generador síncrono con lo que se asegura un óptimo acoplamiento a la red eléctrica con suaves procesos de conexión y desconexión. Además, este sistema conjunto es capaz de trabajar con velocidad variable para optimizar su funcionamiento y maximizar la potencia generada para cada velocidad de viento. También permite gestionar la potencia reactiva evacuada. Sistema de supervisión: se encarga de verificar continuamente el estado de los diferentes sensores, así como el de los parámetros internos: . Condiciones ambientales: velocidad y dirección del viento o temperatura ambiente.. . Parámetros internos: temperaturas, niveles y presiones de aceite, vibraciones, enrollamiento del cable de media tensión, etc.. . Estado del rotor: velocidad de rotación.. . Posición de las palas (pitch).. 14.

(25) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. . Situación de la red: generación de energía activa y reactiva, tensión, corrientes y frecuencia.. 1.7 Ventajas y desventajas de la energía eólica El uso de la energía eólica en la generación de energía eléctrica es de gran importancia en la actualidad, pero esta también trae consigo inconvenientes [4]. Entre sus ventajas se pueden mencionar las siguientes:  Es un tipo de energía renovable ya que tiene su origen en procesos atmosféricos debidos a la energía que llega a la Tierra procedente del Sol.  Es una energía limpia al no requerir una combustión, por lo que no produce emisiones atmosféricas ni residuos contaminantes, evitando así un incremento del efecto y el cambio climático.  Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines, por ejemplo en zonas desérticas, próximas a la costa, en laderas áridas o muy empinadas para ser cultivables.  Puede convivir con otros usos del suelo, por ejemplo los prados para uso ganadero o cultivos bajos como: trigo, maíz, patatas, remolacha, etc.  Crea un elevado número de puestos de trabajo en las plantas de ensamblaje y las zonas de instalación.  Su instalación es rápida, entre 4 y 9 meses.  Su inclusión en una red eléctrica permite, cuando las condiciones del viento son adecuadas, ahorrar combustible en las centrales térmicas y/o agua en los embalses de las centrales hidroeléctricas.  Su utilización combinada con otros tipos de energía, habitualmente la energía solar fotovoltaica, permite la auto alimentación de viviendas, logrando autonomías superiores a las 82 horas y terminando así con la necesidad de conectarse a redes de suministro.  Es posible construir parques eólicos en el mar, donde el viento es más fuerte, más constante y el impacto social es menor, aunque aumentan los costos de instalación y mantenimiento. Los parques offshore son. 15.

(26) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. especialmente importantes en los países del norte de Europa como Dinamarca. Por otra parte, sus desventajas son: Aspectos técnicos: Debido a la falta de seguridad en la existencia de viento, la energía eólica no puede ser utilizada como única fuente de energía eléctrica. Este problema podría solucionarse mediante dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica, pero hasta el momento no existen sistemas lo suficientemente grandes como para almacenar cantidades considerables de energía de forma eficiente. Por lo tanto, para salvar los valles en la producción de energía eólica y evitar apagones generalizados, es indispensable un respaldo de las energías convencionales como por ejemplo centrales termoeléctricas de carbón, gas natural, petróleo o ciclo combinado. Esto supone un inconveniente, puesto que cuando respaldan a la eólica, las centrales de carbón no pueden funcionar a su rendimiento óptimo, que se sitúa cerca del 90 % de su potencia. Tienen que quedarse muy por debajo de este porcentaje para poder subir sustancialmente su producción en el momento en que disminuya el viento. Es por ello que, cuando funcionan en este modo, las centrales térmicas consumen más combustible por kW producido. Además, al aumentar y disminuir su producción cada vez que cambia la velocidad del viento, se produce un desgaste mayor de la maquinaria. Además, la variabilidad en la producción de energía eólica tiene otras importantes consecuencias: . Para distribuir la electricidad producida por cada parque eólico (que suelen estar situados además en parajes naturales apartados) es necesario construir unas líneas que sean capaces de conducir el máximo de electricidad que sea capaz de producir la instalación.. . Técnicamente, uno de los mayores inconvenientes de los aerogeneradores es el llamado hueco de tensión el cual es la reducción brusca de la tensión en una fase y posterior recuperación de la misma en milisegundos. Ante uno de estos fenómenos, las protecciones de los aerogeneradores con 16.

(27) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. motores de jaula de ardilla provocan la desconexión de la red para evitar ser dañados y consecuentemente nuevas perturbaciones en ella, en este caso, de falta de suministro. . Además de la evidente necesidad de una velocidad mínima en el viento para poder mover las aspas, existe también una limitación superior: una máquina puede estar generando al máximo de su potencia, pero si la velocidad del viento sobrepasa las especificaciones del aerogenerador, es obligatorio desconectarlo de la red o cambiar la inclinación de las aspas para que dejen de girar, puesto que su estructura puede resultar dañada por los esfuerzos que aparecen en el eje. La consecuencia inmediata es un descenso evidente de la producción eléctrica, a pesar de haber viento en abundancia, y supone otro factor más de incertidumbre a la hora de contar con esta energía en la red eléctrica de consumo.. Aspectos medioambientales: Generalmente, aunque no siempre, se combina con centrales térmicas, lo que lleva a que algunas personas consideren que realmente no se ahorran demasiadas emisiones de dióxido de carbono. No obstante, hay que tener en cuenta que ningún tipo de energía renovable permite, al menos por sí sola, cubrir toda la demanda y producción de electricidad, pero sin embargo su aportación a la red eléctrica es netamente positiva desde el punto de vista del ahorro de emisiones. Al comienzo de su instalación, los lugares seleccionados para ello coincidieron con las rutas de las aves o con las zonas donde las aves aprovechan vientos de ladera, lo que hace que los aerogeneradores entren en conflicto con aves y murciélagos. Afortunadamente, los niveles de mortandad son muy bajos en comparación con otras causas como por ejemplo los atropellos, aunque esta afirmación es cuestionada por expertos independientes. Actualmente los estudios de impacto ambiental necesarios para el reconocimiento del plan del parque eólico tienen en consideración la situación ornitológica de la zona. Además, dado que los. 17.

(28) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. aerogeneradores actuales son de baja velocidad de rotación, el problema de choque con las aves se está reduciendo significativamente. El impacto paisajístico es una nota importante debido a la disposición de los elementos horizontales que lo componen y la aparición de un elemento vertical como es el aerogenerador. Producen el llamado «efecto discoteca»: este aparece cuando el Sol está por detrás de los molinos y las sombras de las aspas se proyectan con regularidad sobre los jardines y las ventanas, parpadeando de tal modo que la gente denominó este fenómeno «efecto discoteca». Esto, unido al ruido, puede llevar a la gente hasta un alto nivel de estrés, con efectos de consideración para la salud. No obstante, la mejora del diseño de los aerogeneradores ha permitido ir reduciendo progresivamente el ruido que producen. La apertura de parques eólicos y la presencia de operarios en ellos hacen que la presencia humana sea constante en lugares hasta entonces poco transitados, lo que afecta también a la fauna. 1.8 La energía eólica en el mundo La energía proveniente de la eólica es una de las principales fuentes del cambio a otros horizontes que no tienen nada que ver con el uso de los combustibles fósiles. Nada más hay que saber que, al menos, 84 países en todo el mundo están utilizando la energía eólica para suministrar a sus redes eléctricas. Hace poco tiempo, la capacidad de la eólica sobrepasó los 369,553 GW y el total de producción energética está creciendo rápidamente para llegar a ser el 4 % del total de la electricidad usada en el planeta. Y si ya fue todo un logro los 17 GW instalados en 2014, en la primera mitad de 2015 han llegado a los 21,7 GW, lo que lleva a la capacidad global de 392 GW, con unos 428 GW para final de este año 2015. La capacidad global creció en los primeros meses de 2015 en un 5,8 % después de haber conseguido en el mismo periodo los 5,3 % en 2014 y 4,9 % en 2013. Si se cuenta con que en 2014 el ratio de crecimiento anual fue de 16,5 % para que a mediados de año de 2015 haya llegado al 16,8 %, se puede esperar que en los próximos años el crecimiento va a ser mayor [7]. 18.

(29) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. Este aumento en el uso de la eólica se debe principalmente a las ventajas económicas de esta fuente, el incremento en la competitividad, la incertidumbre ante el suministro de gas y petróleo mundial y las presiones para ir hacia unas tecnologías limpias y sostenibles en el tiempo. 1.9 Energía eólica en Cuba En Cuba, desde hace algunos años y en consonancia con la crisis medioambiental que afronta el planeta y teniendo en cuenta el precio de los hidrocarburos a nivel mundial, se viene trazando una estrategia de priorizar las fuentes de energía renovables y entre ellas la energía eólica. Hoy en día el país cuenta con cuatro parques demostrativos instalados en Holguín (2), Ciego de Ávila y la Isla de la Juventud, con un total de 11 700 kW de potencia, desde el 2005 y durante más de tres años se ejecutó un proyecto para la prospección y caracterización del potencial eólico cubano, el cual incluyó la instalación de una red de 88 estaciones automáticas de medición de los parámetros del viento a alturas hasta 50 metros, en 23 zonas del país y una red de 12 estaciones meteorológicas de referencia, con mediciones hasta 100 metros de altura. El gobierno cubano tiene como uno de los lineamientos de la política económica y social un enfoque hacia la potenciación del aprovechamiento de las distintas fuentes renovables de energía. Esto va unido a la aplicación de otras políticas referidas al ahorro energético y el aprovechamiento racional de los recursos. Se evalúa la instalación de ocho nuevos parques eólicos antes de 2020 en el centro y este de la isla, capaces de generar en conjunto unos 280 mega watts (MW). Seis de los nuevos emplazamientos tendrán una potencia de 30 MW y los otros dos de 50 MW. Seis de esos parques eólicos se ubicarán en la región este del país, repartidos tres en la localidad de Banes, en la provincia de Holguín; dos en Las Tunas, y uno en Camagüey. Los otros dos se erigirán en el centro, uno en Ciego de Ávila y el otro en Villa Clara, la instalación de esos generadores requerirá del desembolso de un monto significativo, aunque la inversión se recuperaría en menos de 10 años, a partir de las más de 200000 toneladas de combustible que se ahorrarían cada año al dejar de producir electricidad con las tecnologías 19.

(30) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. convencionales. El empleo de esos generadores movidos por la fuerza de los vientos también evitaría a la isla la emisión de 184000 toneladas anuales de dióxido de carbono y de otros gases de efecto invernadero [8]. 1.10 Energía de la biomasa La biomasa es la materia orgánica procedente de plantas y animales (microorganismos). La fotosíntesis es el proceso mediante el cual se almacena la energía del Sol en las plantas. Los animales toman esta energía al comerse las plantas. La biomasa incluye la madera, plantas de crecimiento rápido, algas cultivadas, restos de animales, etc. y es renovable siempre que se use adecuadamente. La biomasa fue la primera fuente de energía utilizada por el ser humano. Con el descubrimiento del fuego, nuestros antepasados dieron un gran paso de avance en el aprovechamiento de la energía. Pero con esto, también iniciaron paralelamente la destrucción de las masas forestales que cubrían gran parte de la superficie del planeta, fenómeno que continúa en la actualidad con la quema y la tala indiscriminada de bosques y selvas. En las últimas décadas el uso de la biomasa como fuente de energía ha estado presente en el escenario internacional, como una atractiva y promisoria vía para producir potencia con mínimo impacto ambiental. Sin lugar a dudas, grandes potencialidades de biomasa se concentran en los residuos agroindustriales de las producciones de azúcar de caña; esto ha motivado el interés de prestigiosas instituciones científicas que hoy en día invierten cuantiosas sumas de dinero en el desarrollo de ambiciosos proyectos energéticos dedicados a la gasificación y a los ciclos combinados [9]. Actualmente varias empresas líderes en el campo de la energía exhiben extraordinarios resultados en instalaciones demostrativas de ciclos combinados con gasificación de biomasa. Sin embargo, los pronósticos internacionales sobre el tema proyectan crecimientos en el uso de los sistemas de combustión directa de biomasa para los países con infraestructura en desarrollo. De ahí la importancia que tiene para la mencionada industria, en esta etapa de transición, poder disponer de tecnologías que permitan 20.

(31) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. alcanzar altos rendimientos en. la. combustión. directa. de. los. residuos. agroindustriales destinados a la producción de potencia en las fábricas de azúcar. 1.11 Formas de aprovechamiento de la biomasa La biomasa puede aprovecharse de diversas formas, mediante los llamados procesos de conversión, y en general se quema directamente en plantas energéticas tradicionales con ciclos de vapor, como sucede desde antaño en los centrales azucareros; o en sistemas más avanzados y eficientes que emplean la gasificación en ciclos combinados, en los que se usan los gases de escape de las turbinas de gas, el cual alimenta un generador de tipo ordinario. Esta última es la vía más eficiente de aprovechamiento de la biomasa y la que tiene un futuro más prometedor. Otra vía de obtener combustible de la biomasa es mediante la fermentación, como el biogás y la obtención de combustibles como el etanol por fermentación y el metanol por hidrólisis, así como el Biodiesel a partir de la extracción de aceites vegetales. En países como Brasil existe una vasta experiencia en la producción de etanol para su uso en los motores de combustión interna. Entre las posibles fuentes de biomasa se encuentran los residuos agrícolas; los cultivos energéticos, como la caña energética y los bosques de eucaliptos; los desechos de la industria maderera, como el aserrín; el bagazo de caña; los desechos urbanos, como cajas de embalaje, cartón, muebles rotos y papel; los residuos de madera de la construcción; y las urbanas. Los residuos biomásicos de la agroindustria azucarera son el bagazo con su médula y los residuos agrícolas cañeros (RAC). El bagazo es el residuo lignocelulósico fibroso que se obtiene al moler la caña de azúcar, y lo conforma una masa heterogénea de partículas con un tamaño promedio de 20 mm. Los residuos de la agricultura cañera (RAC) están constituidos principalmente por paja y cogollo, y pueden ser empleados en la producción de alimento animal directo, o con fines energéticos. Las dificultades para lograr el aprovechamiento de esta reserva potencial están relacionadas fundamentalmente con la recolección, los tratamientos mecánicos y químicos, la transportación, la manipulación y la conservación. 21.

(32) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. La biomasa puede ser aprovechada por combustión o por conversión térmica [9]: . Energía por combustión directa: es un proceso muy antiguo y se refiere a la combustión de la leña, los residuos forestales y los residuos orgánicos (bosta, celulosa y otros) para obtener calor, especialmente a nivel del hogar. En las zonas rurales la leña juega un rol muy importante como energía para el hogar, o sea, para cocinar los alimentos, porque los pobladores tienen escaso acceso al gas y al kerosén.. . Energía por conversión térmica: Se refiere esencialmente a la pirolisis o destilación de la madera en productos secundarios: carbón de leña, alquitrán, o metanol y gas pobre, entre otros.. . Energía por fermentación alcohólica: Consiste en producir alcohol a partir de materias y restos orgánicos mediante la fermentación alcohólica. Existen las técnicas para producir alcohol a partir de la caña de azúcar, la yuca, la madera y los restos celulósicos.. . Energía por fermentación anaeróbica: Consiste en la producción de gas en cámaras cerradas mediante la fermentación de desechos orgánicos (excrementos, residuos orgánicos, etc.) sin la participación de oxígeno y con bacterias anaeróbicas. Las instalaciones cerradas se denominan digestores de biogás o plantas de biogás. El gas obtenido es una fuente económica para iluminación de viviendas, gas de cocina, calefacción, etc.. . Energía animal: Es el uso de animales de carga para arar los campos, como también para mover trapiches y molinos. Su uso está bastante difundido en las zonas rurales (vacunos, caballos, burros, mulos).. 1.12 Conversión de la biomasa en energía Existen diferentes formas para transformar la biomasa en energía que se pueda aprovechar, pero hay dos de ellas que hoy en día se utilizan más [10]: Métodos termoquímicos:. 22.

(33) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. Es la manera de utilizar el calor para transformar la biomasa. Los materiales que funcionan mejor son los de menor humedad (madera, paja, cáscaras, etc.). Se utilizan para:  Combustión: existe cuando se quema la biomasa con mucho aire (20-40 % superior al teórico) a una temperatura entre 600 y 1300ºC. Es el modo más básico para recuperar la energía de la biomasa, de donde salen gases calientes para producir calor y poderla utilizar en casa, en la industria y para producir electricidad.  Pirolisis: se trata de descomponer la biomasa utilizando el calor (a unos 500ºC) sin oxígeno. A través de este proceso se obtienen gases formados por hidrógeno, óxidos de carbono e hidrocarburos, líquidos hidrocarbonados y residuos sólidos carbonosos. Este proceso se utilizaba hace ya años para hacer carbón vegetal.  Gasificación: existen cuando se hace combustión y se producen diferentes elementos químicos: monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO 2),. hidrógeno (H) y metano (CH 4), en cantidades diferentes. La temperatura. de la gasificación puede estar entre 700 y 1500ºC y el oxígeno entre un 10 y un 50 %. Según se utilice aire u oxígeno, se crean dos procedimientos de gasificación distintos. Por un lado, el gasógeno o “gas pobre” y por otro el gas de síntesis. La importancia de este es que puede transformarse en combustibles líquidos (metanol y gasolinas). Por eso se están haciendo grandes esfuerzos que tienden a mejorar el proceso de gasificación con oxígeno.  Co-combustión: consiste en la utilización de la biomasa como combustible de ayuda mientras se realiza la combustión de carbón en las calderas. Con este proceso se reduce el consumo de carbón y se reducen las emisiones de CO 2. Métodos bioquímicos:. 23.

(34) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. Se llevan a cabo utilizando diferentes microorganismos que degradan las moléculas. Se utilizan para biomasa de alto contenido en humedad. Los más corrientes son: . Fermentación alcohólica: técnica que consiste en la fermentación de hidratos de carbono que se encuentran en las plantas y en la que se consigue un alcohol (etanol) que se puede utilizar para la industria.. . Fermentación metánica: es la digestión anaerobia (sin oxígeno) de la biomasa, donde la materia orgánica se descompone (fermenta) y se crea el biogás.. 1.12.1 Uso eléctrico de la biomasa La obtención de energía eléctrica a través de la quema de biomasa sólida se realiza generalmente a gran escala (plantas mayores de 2MW). Esto es debido principalmente a que las instalaciones necesarias requieren una gran inversión económica. Además, los rendimientos globales obtenidos son mayores cuando mayor sea la potencia generada. El funcionamiento de una planta de biomasa para la generación de energía eléctrica consiste en la recepción de la biomasa, generalmente en forma de alpacas (paja o astillas), posteriormente se colocan automáticamente en una cinta transportadora, que las conduce hasta la caldera. Allí, previamente desmenuzadas, caen a una parrilla vibratoria que favorece la combustión y la evacuación de inquemados. Dicha combustión calienta el agua que circula por las tuberías de las paredes de la caldera y por haces de tubos en el interior de la misma convirtiéndola en vapor sobrecalentado. El vapor sobrecalentado mueve una turbina conectada a un generador que produce electricidad a una tensión determinada, transformándola posteriormente a otra tensión mayor para su incorporación a la red general. Por último, los inquemados depositados en el fondo de la caldera, se trasladan a un vertedero autorizado, y las cenizas volantes, retenidas por un filtro, se aprovechan para fertilizantes agrícolas [11].. 24.

(35) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. 1.13 Ventajas y Desventajas de la Biomasa La biomasa más allá de la importancia de generar una energía renovable, el aprovechamiento de esta conlleva importantes beneficios para la economía, el empleo y el medio ambiente, pero esta también presenta inconvenientes [1]. Ventajas: 1.- Es una fuente de energía renovable. En todo el planeta existe la posibilidad de acceder a fuentes de biomasa tales como: restos de cosecha, estiércol y basura orgánica. En el transcurso de un año en el que se transforman todas esas fuentes en biocombustibles, se están generando cantidades equivalentes en cosechas, granjas y ciudades. El ritmo de transformación se asemeja al ritmo de crecimiento de cosechas y recolección, y puede ser tan corta como unos meses en algunos casos. 2.- Neutral respecto a las emisiones de carbono. Esta tal vez sea la mayor y más importante ventaja de la energía procedente de la biomasa. La biomasa entra de lleno en el ciclo del carbono. Los combustibles procedentes de la biomasa no contribuyen al calentamiento global, y tienen la consideración de combustibles limpios. 3. - Mínimo precio. El aprovechamiento de la energía contenida en la biomasa resulta muy económico comparado con el petróleo o el carbón. Suele costar alrededor de un tercio de los combustibles fósiles para obtener el mismo resultado. 4.- La biomasa es abundante. La biomasa está disponible en grandes cantidades por todo el mundo. Por lo tanto, en general no son necesarias grandes infraestructuras de transporte para llevarlas a su punto de destino. Desventajas: 1.- Puede ser cara. En ciertas zonas y en ciertas condiciones, la extracción de biomasa puede ser cara. Esto además suele ocurrir en proyectos de aprovechamiento que impliquen recolección, procesado y almacenamiento de algunos tipos de biomasa. 25.

(36) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. 2.- Requiere espacio. Se necesitan grandes áreas para los diferentes procesos destinados a la obtención de energía de la biomasa. También las zonas de almacenamiento pueden ser particularmente extensas. 3.- Aspectos medioambientales. En ocasiones se destinan a la obtención de biomasa amplias zonas forestales o silvícolas, destruyendo hábitats de gran valor ecológico y provocando la desaparición o el movimiento de especies animales al destruir sus refugios y fuentes de alimento. 1.14 Sistemas de control de las Plantas de Biomasa Los sistemas de control de las Plantas de Biomasa presentan a su vez, un sistema de control distribuido (DCS) que es sin lugar a dudas, uno de los elementos más importantes de una planta, ya que es desde donde se envían las ordenes y se observan todos los parámetros para mantener a la planta bajo control. Es, de alguna forma, el cerebro de la central que gobierna cada equipo [12]. El programa ejecuta las acciones pertinentes para el control del proceso en base a las señales recibidas desde los periféricos de campo de los siguientes sistemas: . caldera de vapor.. . alimentación de biomasa combustible.. . sistemas auxiliares de la turbina,. . planta de tratamiento de aguas.. Mediante el sistema SCADA es posible la monitorización y operación de la planta, incorpora: . históricos,. . alarmas y eventos con cronología de milisegundos. . informes, etc.. 1.15 Biomasa en el mundo Esta fuente de energía supone un tercio del consumo energético en África, Asia y Latinoamérica, siendo la principal fuente de energía en los hogares de 2000 26.

(37) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. millones de personas. El problema de este uso de biomasa, en ocasiones de supervivencia, es su falta de desarrollo tecnológico y de eficiencia energética, situándose fuera de una planificación sostenible de su aprovechamiento, lo que lleva a la deforestación de grandes áreas con su consecuente grave impacto ambiental asociado. Más del 10 % (1,5 Gha) de la superficie mundial se utiliza actualmente para cultivos y un 25 % (3,54 Gha) para pastos de ganadería y otras producciones animales. Anualmente, alrededor de 7 u 8 Mha forestales se convierten en agrícolas [13]. Un mayor desarrollo de la tecnología y una adecuada planificación del aprovechamiento de la biomasa, supondría un impulso para el mercado internacional de biomasa, mejoras ambientales y el desarrollo rural de zonas degradadas. Si se descuenta la biomasa mediante usos tradicionales, la contribución de todas las energías renovables a nivel mundial baja significativamente, situándose alrededor del 7 % del consumo de la energía mundial. La biomasa sólida es la mayor fuente de energía renovable en el mundo, con mucha diferencia, debido a la existencia de la biomasa tradicional en los países en vías de desarrollo. Supone el 9,2 % de la oferta total de energía primaria en el mundo, el 70,2 % de la oferta total de energía renovable. De hecho, el 86 % de la biomasa sólida es producida y consumida en países que no pertenecen a la OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos) [13]. 1.16 Energía de la Biomasa en Cuba La agroindustria cubana de la caña de azúcar es la fuente más importante de biomasa con que cuenta el país para el desarrollo de energía renovable. En zafras promedios anuales en el país, de molidas de 70 millones de toneladas de caña, se producen unos 20,5 millones de toneladas de bagazo y una cantidad similar de residuos agrícolas (paja, cogollo y hojas). Actualmente la propia industria azucarera y la de sus derivados, consumen alrededor de 19 millones de toneladas de bagazo para satisfacer el 74 % de la demanda energética del Ministerio del Azúcar, incluyendo todas sus actividades. La capacidad instalada energética de esta. industria está constituida por 804. generadores de vapor y 349 27.

(38) CAPÍTULO 1: DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA Y DE LAS BIOMASAS CON FINES ENERGÉTICOS. turbogeneradores de vapor con una capacidad superior a los 700 MW. De las 156 centrales existentes 149 cogeneran y 72 están interconectados al Sistema Eléctrico Nacional [14]. La utilización de la biomasa como fuente de energía representa una alternativa real para la disminución del consumo de portadores energéticos convencionales en la generación de electricidad. En esta esfera, se ha planteado lograr a mediano plazo que el consumo de electricidad de todas sus actividades sea satisfecho a partir de un aprovechamiento más eficiente de la biomasa de la caña, lo que significa incrementos de la generación de electricidad en base al bagazo y la paja como combustibles. A largo plazo se propone que la industria pase a ser un suministrador neto de electricidad al Sistema Eléctrico Nacional. En un segundo plano se ha considerado la evaluación del uso de la biomasa forestal para la generación de electricidad. En este caso, se parte del criterio de realizar la producción de electricidad en regiones aisladas, en las cuales se dificulta técnica y económicamente el suministro a través del Sistema Eléctrico Nacional. Una importante dirección de trabajo es el aprovechamiento de residuos agroindustriales para la producción de electricidad. Este es el caso de los residuos de la agroindustria forestal y arrocera, que permiten instalar capacidades, que a la vez que mejoran la rentabilidad de la empresa, garantizan la producción de energía eléctrica en regiones apartadas. En este campo se sigue con mucha atención el desarrollo de plantas de segunda generación para el tratamiento anaeróbico de residuales líquidos para la producción de biogás y de las tecnologías para la producción de electricidad a partir de este combustible. El desarrollo de la bioenergía en el país es uno de los puntos claves contemplados en el Programa de Desarrollo de las Fuentes Nacionales de Energía, aprobado por el Parlamento Cubano en 1993 [14]. Para la ejecución de los trabajos de investigación-desarrollo vinculados al mismo, el Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente (CITMA) posee un Programa Nacional Científico Técnico de Energía. El potencial científico-técnico del país dedicado a esta actividad se manifiesta en más de 20 Centros de Investigación-Desarrollo que trabajan en esta 28.