DOCTORADO EN CIENCIAS AMBIENTALES

DOCTORADO EN CIENCIAS

AMBIENTALES

TEMA : ENERGIAS RENOVABLES

GENERACION ELECTRICA - USO RACIONAL

Jairo Arcesio Palacios P. Ph. D

.

Grupo de investigación en conversión de energía “CONVERGIA”

Escuela de ingeniería eléctrica y electrónica

CURSO: PRODUCCIÓN MÄS LIMPIA

CONTENIDO

•

Energías Renovables

•

Solar

•

Eólica

•

Mareomotriz

•

Hidráulica

•

Geotérmica

•

Biocombustibles

- Celdas de combustible

- Hidrogeno

2

ENERGIAS

ALTERNATIVAS

RENOVABLES

PLAN ESTRATÉGICO

Programa de investigación en Energía y Minería

ENERGIAS ALTERNATIVAS

DISPONIBLES EN COLOMBIA

•

ENERGIA SOLAR

•

ENERGIA

HIDRAULICA

•

ENERGIA

MAREOMOTRIZ

•

ENERGIA EOLICA

•

BIOMASA

•

ENERGIA

GEOTERMICA

•

CELDAS DE

COMBUSTIBLE

•

HIDROGENO

•

SISTEMAS HIBRIDOS

4

ENERGIA SOLAR

DIRECTA CAPTACION TERMICA CAPTACION FOTONICA Pasiva Activa

Fotoquímica Celdas solares

Colector fijo Seguimiento Biomasa FIJO Seguimiento Clima viviendas

CALOR ALTA

TEMPERATURA

ENERGIA

ELECTRICA

ENERGIA

QUIMICA

CAPTACIÓN 5

Movimiento sobre la ecliptica

Esquema del cambio de declinación con movimiento

del Sol respecto al plano del Ecuador

Radiación Solar

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

• Solo se tiene una evaluación general a nivel nacional basada en las instalaciones del IDEAM, insuficiente para a realización de diseños detallados y confiables.

Valle del Cauca, Cauca, Nariño

Recursos

•

Disponibilidad de información de IDEAM,

CVC.

•

Estaciones ubicadas en la zona geográfica

del Río Cauca.

•

Promedio anual de radiación de Cali 850

Cal/cm2 min.

ENERGIA

SOLAR

TERMICA

CAPTACION TERMICA

Arquitectura solar

ENERGIA SOLAR

Concentradores

ENERGIA SOLAR

Concentradores

Atlas Solar

Flujograma de ejecución del proyecto. UPME

Evaluación del recurso en la región

•

Red de monitoreo permanente

Captación térmica

•

Precalentamiento de fluidos

•

Refrigeración solar

•

Desalinización de agua

Energía eléctrica con Células solares

•

Telecomunicaciones

•

Almacenamiento de energía

•

Señalización de puertos y aeropuertos

•

Alumbrado de viviendas y vías publicas

Valle del Cauca, Cauca, Nariño

Uso Potencial

ENERGIA SOLAR

Establecer red de registro permanente en

la región de información sobre Energía

SOLAR (Radiación y Brillo Solar)

incluyendo costa pacifica.

Fomentar el desarrollo de estas tecnologías

facilitando incentivos a usuarios y fabricantes

nacionales, como en el caso de otros

energéticos.

ENERGIA SOLAR

ENERGIA SOLAR

Usos: Térmicos

• SECADO DE PRODUCTOS

AGRICOLAS CAFÉ, FIQUE, YUCA, ETC.

• CALENTAMIENTO DE AGUA, Colectores

MÍNIMO USO DE LA ENERGIA SOLAR.

FOTOVOLTAICA

ENERGIA SOLAR

Conclusiones y recomendaciones

• Colombia tiene un buen potencial energético solar en todo el

territorio, con un promedio diario multianual cercano a 4,5 kWh/m2 (destacándose la península de La Guajira, con un valor promedio de 6,0 kWh/m2 y la Orinoquia, con un valor un poco menor).

• Las isolíneas de radiación fueron definidas con los datos de la red radiométrica del periodo 1980-2002, lo cual permitió establecer una aproximación de la distribución del recurso solar en el país.

• Considerando las regiones naturales del país, es conveniente ubicar estaciones piloto seleccionadas con criterios energéticos y

meteorológicos en cada una de ellas.

• Estas estaciones deben tener la instrumentación necesaria para medir en las diferentes bandas del espectro, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo; la radiación solar global y sus componentes: directa, difusa, reflejada, total ascendente y descendente, y los demás parámetros meteorológicos,

Conclusiones y recomendaciones

Disponibilidad promedio multianual de energía solar por regiones es: • REGIÓN kWh/m2/año • GUAJIRA 2.190 • COSTA ATLÁNTICA 1.825 • ORINOQUIA 1.643 • AMAZONIA 1.551 • ANDINA 1.643 • COSTA PACÍFICA 1.278

• • Es importante mejorar la distribución de la ubicación • geográfica de las estaciones, con criterios de

• región, altura sobre el nivel del mar y homogeneidad • en el cubrimiento del territorio nacional.

Establecer red de registro

permanente en la región de

información sobre Energía

SOLAR (Radiación y Brillo Solar)

incluyendo costa pacifica.

Fomentar el desarrollo de estas tecnologías

facilitando incentivos a usuarios y

fabricantes nacionales, como en el caso de

otros energéticos.

INDIRECTA

EOLICA

MAREOMOTRIZ

HIDRAULICA

ENERGIA SOLAR

Energía eólica

Estado actual

ENERGIA EOLICA

Circulación local interna

ENERGIA EOLICA

Circulación local Costera

ENERGIA EOLICA

Recursos necesarios

Velocidad

10 mts. Altura

(m/s)

Efectos en

sistemas Eólicos

Posibilidad de

generación

0 - 3.6 ninguno ninguno 3.6 – 5,8 Arranque aerobombas Bombeo de agua baja potencia. 5.8 -8.5 Arranque turbinas pocas palas Producción útil de potencia eléctrica 8.5 -11 Generación Potencia útil 1/3 de capacidad Excelente perspectiva para potencia 11-14 Máxima capacidad de generación Solo sistemas robustos 61

Energía Eólica Colombia

Energía eólica

¿Cómo funciona ?

Constante de Bentz (59%) Límites por tamaño (5 MW está cerca del límite)

Los costes de

mantenimiento aumentan con el tamaño

La producción es función cúbica de la velocidad del viento

Energía eólica

¿Cómo funciona ?

Un campo de clase 3 necesita el doble de generadores de un determinado tipo, para producir la misma energía

que un campo de clase 6

Energía eólica

¿Cómo funciona ?

Energía eólica. Ventajas

•

De las renovables más probadas

y competitivas.

•

La TRE es aparentemente

superior a la solar.

•

No es muy contaminante, una vez

instalada y en según qué niveles

POSIBILIDAD DE APROVECHAMIENTO EN COLOMBIA: VENTAJAS Y DESVENTAJAS

ENERGIA EOLICA

ENERGIA EOLICA equipo

ENERGIA EOLICA

Establecer red de registro permanente en la región de

información sobre Energía EOLICA (Vientos y direcciones) incluyendo costa pacifica

Valle del Cauca, Cauca, Nariño

Fomentar el desarrollo de estas tecnologías

facilitando incentivos a usuarios y fabricantes

nacionales, como en el caso de otros energéticos.

MÍNIMO USO DE LA ENERGIA EOLICA .

ENERGIA MAREOMOTRIZ

• Energía de las olas

Energía cinética del agua: Viento

• Corrientes marinas

• Energía de las Mareas

Energía potencial: Cambios nivel del mar Fuerzas gravitacionales

• Energía Térmica

Gradiente térmico entre la superficie las profundidades mar.

Energía de las Olas

La energía total deberá ser la suma de la energía cinética y la energía potencial

Rectificador de Russell

GEO PÉNDULO

GEO TAPCHAN (NORUEGA

)

El pato (Duck) de Salter

GEO CILINDRO BRISTOL

GEO ROMPEOLAS SUMERGIDO

GEO ROMPEOLAS

SUMERGIDO

ENERGIA MAREOMOTRIZ

Potencial disponible

Costa Pacifica

: Choco, Valle del Cauca, Cauca,

Nariño.

Energía potencial

: Variación promedio de nivel

+/- 4.0 mts.

Aprovechamientos:

Micro hasta mini

centrales en esteros o bocas de los ríos

ENERGIA MAREOMOTRIZ

Valle del Cauca, Cauca, Nariño

Recurso

•

Disponibilidad de información de CVC. Carta

de Mareas

•

Recurso permanente garantizado

independiente de variaciones climáticas.

•

Aprovechamiento conjunto con ríos.

En Colombia

Un primer inventario en el Pacífico

colombiano arrojó un potencial de

energía mareomotriz de 500 MW. El

potencial estimado para los 3000 km

de costas colombianas respecto a la

energía de las olas es de 30 GW.

(Informe UPME)

Conclusión

Desafortunadamente los sistemas

de

generación

mareomotriz

todavía se encuentran en etapa

de experimentación y han tenido

un auge y aplicación a escala lo

que impide su masificación a

nivel mundial.

PEQUEÑAS CENTRALES

HIDROELECTRICAS

Ciclo del Agua

Estaciones Hidrológicas

Turbinas

ENERGIA HIDRAULICA

Pequeños aprovechamientos

hidroeléctricos

ENERGIA HIDRAULICA

Pequeños aprovechamientos

hidroeléctricos

• Rehabilitación o repotenciación de pequeñas, mini y microcentrales hidroeléctricas.

• Identificación y Evaluación de Potencial hidroeléctrico de pequeñas centrales hidroeléctricas.

Valle del Cauca

Usos

•

Aprovechado solo con pocas

plantas antiguas y no se

tienen proyectos para

incremento a mediano plazo a

mediano plazo.

ENERGIA GEOTERMICA

•

Geotermia: Calor Natural existente en

el interior de la tierra.

Aprovechamiento:

Perforación de pozos para generación de

electricidad, fabricación de papel,

secado, calefacción, etc.

Explotaciones

País

Capacidad

Instalada.

1990 (MW)

Generaci

ón

GWh/año

Estados Unidos 2777 8000 Filipinas 894 6730 México 720 4660 Italia 545 3150 Nueva Zelanda 293 2000 Japón 215 1360 Indonesia 142 750 El Salvador 95 370 Nicaragua 70 410 98

Yacimientos Geotérmicos

•

Agua dominante.

Agua presurizada en estado

liquido y pequeñas cantidades de

vapor

•

Vapor Dominante

Vapor con agua eventualmente

Elementos necesarios

•

Localización del recurso amenos de

3000m. (técnica y económicamente

rentable).

•

Entalpía alta o media ( temperatura

mayor a 200 grados C.) para

generación

•

Potencial deseable mayor a 15Mw.

•

Bajo contenido de gases

•

Caracterizas corrosivas mínimas

Proyectos Geotérmicos

Colombia

• Chiles- Cerro negro Proyecto

binacional 1987

• Azufral. (Tuquerres) 1981

• Paipa –Iza

• Macizo volcánico de Ruiz. (CHEC)

E

ner

gía G

eotér

m

ic

a

102

Energía Geotérmica

Energía Geotérmica

BIOMASA

Tipo de residuo Tratamiento Aprovechamiento

Forestales

Trituración,

Sin tratamiento Combustión del Hogar Agrícolas Residuos urbanos Cultivos energéticos Efluentes ganaderos Digestión Anaerobia Combustión en motores Aguas residuales Urbanas Residuos sólidos Urbanos Excedentes agrícolas Fermentación Alcohólica, extracción 106

BIOMASA Recursos

Valle del Cauca, Cauca ,

Nariño

• Aguas residuales Urbanas: Plantas de tratamiento de aguas residuales. Cali y plantas menores.

• Efluentes ganaderos

• Bagazo: Ingenios azucareros

• Purines: Biodigestores pequeña escala.

HIDROGENO (H

2

)

NUEVAS TECNOLOGIAS DE PRODUCCION DE HIDROGENO

Alcoholes: metanol y etanol

Proceso autotérmico, Reformado con CO₂, Pirólisis, Captura de CO₂, Pequeños reformadores HIDROCARBUROS COMO MATERIA PRIMA A PARTIR DE BIOMASA

Gasificación con vapor, Pirólisis,

Fermentación,

Empleo de microorganismos

 Tecnología confiable y ampliamente probada

 Obtención de hidrógeno libre de óxidos de carbono. Método convencional:

 electrolito alcalino

 diafragma (para separar los productos gaseosos)

 Costo de producción fuertemente dependiente del costo de la energía eléctrica

electricidad

H

₂

O

H

₂

+

O

₂

Electrólisis del agua

El proceso es factible en países con exceso de energía proveniente de:

 estaciones de generación nuclear existentes

 eólica

 sistemas hídricos de gran escala

Ninguno de los procesos se encuentra actualmente disponible en forma comercial

VENTAJA:  Obtención directa de H₂ a partir de biomasa DESVENTAJAS:

 impurezas de la alimentación

 disponibilidad de recursos limitada

A PARTIR DE BIOMASA

Pilas de membrana polimérica

(PEM)

Celdas de Combustible

Historia y Principio de Funcionamiento

Sir William Grove Christian Friedrich

Schoenbein

Principio de la “electrólisis inversa” (1838)

nF

G

E

=

∆

∆

Pilas de Combustible. Pilas de membrana polimérica (PEM) H₂ H₂O O₂ ánodo cátodo electrolito 113

Energía Química Energía Térmica Energía Mecánica Energía Eléctrica

Sistema Convencional

Celdas de

Combustible

¿Qué son las celdas de

combustible?

COMPARACIÓN DEL RENDIMIENTO

1 10 100 1.000 10.000 100.000 Potencia, KW 0 10 20 30 40 50 60 Celdas de Combustible Diesel Gasolina

Turbinas de vapor y gas

¿POR QUÉ CELDAS DE COMBUSTIBL

• Conversión más eficiente del combustible en

electricidad

• Tecnología ambientalmente limpia

• Reducción de problemas acústicos y térmicos

• Bajos costos de mantenimiento

EL INTERÉS ESTA CRECIENDO

• Alta inversión económica

• Significativo progreso técnico

• Los sistemas comienzan a estar

disponibles

• La carrera ya comenzó

APLICACIONES

• Móviles

• Autos, barcos, misiles,

etc.

• Teléfonos, radios,

juguetes, etc.



Estáticas

•

Generación centralizada

•

Generación distribuida

118

Beneficios de las Pilas de Combustible



Eficientes en la conversión de energía química en

energía eléctrica.



Gran eficiencia independientemente de la escala.



Confiables y silenciosas, ya que no tienen partes

móviles.



No se desgastan y proveen energía en forma continua.



Flexibles con respecto a diferentes combustibles.



Fácil instalación.



Simplicidad de escalado respecto a la demanda

energética.

Vehículo con motor de combustión interna

SISTEMAS HIBRIDOS

Aprovechamiento Optimo de

Recursos Energéticos

•

Disponibilidad de múltiples fuentes

energéticas: Solar , Biogás, Eólica,

Minihidráulica o mareomotriz en los

municipios.

SISTEMAS HIBRIDOS

• Área: 274.000 Km 2 •77% de la población de Colombia vive en la

Cuenca del Magdalena (32.5 millones de

personas)

Cuenca

Magdalena

POSIBILIDAD DE APROVECHAMIENTO EN

COLOMBIA:

COSTOS DE INSTALACIÓN Y GENERACIÓN

Jairo Arcesio Palacios Peñaranda

Ph.D.

Grupo de Investigación en Conversión de Energía Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Universidad del Valle

Gracias por la

atención prestada.