1 PARTE I. ENERGÉTICA Bloque temático II. FUENTES DE ENERGÍA Lección 4 ENERGÍAS RENOVABLES Y DE VALORIZACIÓN DE RESIDUOS Gestión Energética en la Industria Ingeniero Químico
2 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos2 4. ENERGÍAS RENOVABLES Y DE VALORIZACIÓN DE RESIDUOS 1.Clasificación de las energías renovables 2.Biomasa 3.Hidráulica 4.Energía solar térmica 5.Energía solar fotovoltaica 6.Energía eólica 7.Energía geotérmica 8.Residuos urbanos e industriales
3 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos3 CLASIFICACIÓN DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES Las energías renovables (EE.RR.) son –aquéllas cuya velocidad de formación es constante y significativa en las escala de tiempos humana –aquéllas cuyo aprovechamiento no supone un agotamiento de recursos energéticos y que prácticamente no altera el equilibrio ecológico del planeta. –fuentes de energía inagotables, autóctonas y difusas (no concentradas) ¿residuos sólidos urbanos (R.S.U.) ?
4 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos4 CLASIFICACIÓN DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES Energías derivadas de la energía radiante solar ( 8 kW/m2) –directa o energía solar pasiva arquitectura bioclimática secaderos naturales, etc. –mediante convertidores artificiales –térmica (placas solares de generación de calor y/o electricidad a través de motores térmicos) –fotovoltaica (placas solares de generación directa de electricidad) climáticos –hidráulica (saltos hidráulicos) –eólica (aprovechamiento de la acción del viento) –de las olas (aprovechamiento de la acción de las olas) biológicos: biomasa (madera, cultivos energéticos, biocombustibles, etc.) Fuerzas gravitatorias: mareomotriz (acción de las mareas), que están originadas por las fuerzas gravitatorias solar, terrestre y lunar Calor interno de la Tierra: geotérmica
5 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos5 BIOMASA (1) Biomasa energética se define como el conjunto de la materia orgánica, de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformación natural o artificial, susceptible de ser utilizada para la obtención de energía, generalmente por combustión. Aunque es un combustible y, como tal, genera sustancias contaminantes para el medio ambiente, fundamentalmente CO2, este último lo ha absorbido en su formación, por lo que el balance de carbono es prácticamente nulo. En la actualidad es la energía renovable cuantitativamente más importante. 1,6 t CO 2 1,2 t O 2 Fotosí ntesis 0,2 Ha 1 t biomasa
6 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos6 BIOMASA (2) Clasificación Atendiendo a su origen : Biomasa natural: Es la que se produce y extrae de los ecosistemas naturales (p.e. talas de arbolado). La biomasa natural sigue siendo en la actualidad una fuente energética de gran importancia en ciertas zonas rurales y en países en vías de desarrollo, donde su explotación intensiva está conduciendo a daños irreversibles en el ecosistema. Biomasa residual: Derivada de residuos o subproductos de las actividades agrícolas, ganaderas y forestales, así como de los procesos de las industrias agroalimentarias y de transformación de la madera. También incluye los residuos biodegradables, correspondientes a efluentes ganaderos, efluentes de aguas residuales, lodos de depuradoras, etc. y la parte biodegradable de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU). Cultivos energéticos: Son cultivos realizados con el fin de obtener materiales destinados a su aprovechamiento energético, como cereales, plantas oleaginosas, etc. De éstos proceden, entre otros, los biocombustibles. Otros: carbón vegetal, densificados, etc.
7 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos7 Biomasa sólida Madera, residuos vegetales y densificados La madera es la materia leñosa procedente del arbolado; no presenta actualmente un gran interés en la gran industria como combustible, aunque sí en el sector doméstico y hostelería. Es materia prima del carbón vegetal Residuos agrícolas y forestales: podas de arbolado Residuos de industrias agrícolas y forestales: orujillo de aceituna, las cáscaras de frutos secos, el bagazo de caña, residuos de industria maderera, etc. Densificados: biomasa astillada y/o molida que sufre un proceso de compresión por el que se compacta y se le da una forma más manejable a la vez que pierde humedad y gana densidad, con lo que aumenta su poder calorífico respecto a la biomasa original. –briquetas (más grandes) –pellets (en forma y tamaño de gránulos o lentejas)
8 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos8 Biomasa sólida La madera La madera tiene una densidad que oscila entre 500 y 750 kg/m3 y un poder calorífico inferior medio de 19000 kJ/kg cuando está seca y 14400 kJ/kg cuando está verde, es relativamente pobre en carbono y rica en oxígeno y compuestos volátiles El poder calorífico de la biomasa sólida depende principalmente de su contenido en: –Lignina: aporta el mayor poder calorífico (20000 kJ/kg) –Celulosa: mucho menor PC que lignina (5000 kJ/kg) –Humedad : disminuye el poder calorífico real Humedad10,71316,72023,128,633,537,541,144,45054,560 Coeficiente10,970,920,880,840,770,710,650,600,560,490,430,36 Carbono40 % Hidrógeno4% Oxígeno y nitrógeno32 % Agua20 % Cenizas4 %
9 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos9 Tecnologías de valorización energética de la biomasa sólida Las instalaciones de combustión de biomasa son similares a las de combustibles sólidos, requiriendo, si bien, ciertas adaptaciones a su morfología, contenido de humedad, etc. Una tecnología prometedora es la de lecho fluidizado.
10 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos10 Caldera de pellets
11 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos11 Biocombustibles líquidos (biocarburantes) Cultivos energéticos Dentro de la biomasa líquida el grupo más desarrollado es el de los biocarburantes o combustibles que pueden utilizarse en motores de combustión interna; son la alternativa renovable a los derivados del petróleo. Proceden en buena parte de los cultivos energéticos: Photo Credit: David and Associates DOE/NREL Bioetanol: procede de la fermentación de azúcares y cereales y excedentes vitivinícolas. Biodiesel: procede de la extracción de grasas de semillas o de aceites vegetales usados. Ambos pueden utilizarse solos o mezclados con los combustibles convencionales en distintas proporciones, en éste caso puede no requerirse adaptación del motor
12 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos12 Biocombustibles líquidos Etanol El bioetanol procede de la fermentación de cereales o azúcar procedentes de cultivos energéticos o de la extracción de alcohol de bebidas alcohólicas excedentarias Es el sustituto de las gasolinas total o parcialmente (E15: 15% de bioetanol) ALCOHOLES ALCOHOL BIOETANOL
13 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos13 Biocombustibles líquidos Biodiesel: a los ésteres metílicos de los ácidos grasos, productos de origen vegetal o animal que se ajusten a unas determinadas especificaciones que los hacen aptos para su combustión en motores de encendido por compresión (MEC). Procede de la transesterificación de los ácidos grasos procedentes de la hidrólisis de los aceites vegetales mediante alcoholes de cadena corta (metanol o etanol) para obtener los correspondientes ésteres metílicos o etílicos Es el sustituto renovable del gasóleo, total o parcialmente (B-20 es una mezcla de 20% de biodiésel y 80% de g.o.) También pueden utilizarse como combustible, aunque no con la consideración de biodiésel: –Aceites sin tratar –Aceites de fritura
14 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos14 Biogás Es un gas procedente de la fermentación anaerobia de residuos orgánicos. El en digestores y/o residuos vegetales. En su composición domina el metano como sustancia combustible. El proceso tiene lugar en reactores cerrados discontinuos llamados digestores. El ciclo medio de fermentación dura aproximadamente quince días, obteniéndose, p.e., 60 m 3 de gas por tonelada de estiércol. El gas de vertedero es una variante del biogás y se obtiene en vertederos enterrados en los que se practica respiraderos por los que se extrae. Contenido en metano inferior al biogás convencional (30- 40%) gas% Metano50 - 70 Dióxido de carbono30 - 50 Hidrógeno1 - 10 Nitrógeno< 3,0 Oxígeno< 0,1 Sulfuro de hidrógenotrazas
15 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos15 Biogás La fermentación anaerobia Fases –Primera fase: Acción de los microorganismos que rompen las células de la materia vegetal, alimentándose del amoniaco y los aminoácidos. –Segunda fase: Acción de las bacterias metanógenas que producen metano, degradando la celulosa y convirtiéndola en glucosa, y asimilando CO 2, H 2 y H 2 O. –Tercera fase: Ataque de los ácidos orgánicos por las metanobacterias, metanobacilos y metanococus, produciendo directamente metano. En las dos últimas fases del proceso, además del metano se producen diversos gases como el H 2 S, H 2 y NH 3 y calor. La actividad microbiana es función de la temperatura; la mayor se consigue con temperaturas entre 32 ºC y 50 ºC.
16 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos16 4.2.5.1 Instalaciones de biomasa sólida Gasificación Son similares a las combustibles sólidos fósiles, con las adaptaciones precisas para la morfología, contenido de humedad, etc. El astillado permite reducir y homogenizar el tamaño de partícula. Una tecnología prometedora es la de gasificación en lecho fluidizado o directamente con esta tecnología.
17 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos17 4.2.5.2 Instalaciones de biogás Digestores y depuración del gas El digestor es el reactor donde se produce la fermentación de los residuos orgánicos; su volumen depende de la producción diaria (de 3 m 3 /día a 300 m 3 /día en instalaciones industriales). El material más usual en su construcción es la fibra de vidrio o acero. Los principales factores que influyen decisivamente en el proceso son –el contenido en sustancias nutritivas (C/N entre 25 y 30) –la agitación de la mezcla –la temperatura –el pH (6 < pH < 8) –el contenido en elementos tóxicos –la fauna bacteriana El gas obtenido en los digestores, al separarse de los fangos, asciende hacia la cámara superior del digestor, y desde allí es conducido al gasómetro, donde se realiza su depuración. –Se le hace pasar a través de cal o sosa cáustica, para eliminar el CO 2. –Si contiene excesiva cantidad de SH 2 se introducen ovillos de hilo de hierro en los conductos o filtros de óxido ferroso para eliminarlo.
18 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos18 Energía hidráulica (1) Se llama energía hidráulica a la que se obtiene cuando una corriente de agua acciona una turbina de tipo hidráulico conectada, por lo general, a un generador de electricidad. La potencia, P, desarrollada en una turbina hidráulica es: P = Q H n donde: es el rendimiento de la turbina es el peso específico del fluido de trabajo Q el caudal H la altura o salto de energía neto En los últimos tiempos se ha impuesto una división en esta clase de energía, atendiendo a la potencia instalada: –hidráulica de gran potencia o gran hidráulica (>5 MW) –minihidráulica (
19 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos19 Energía hidráulica (2) Existen distintos tipos de turbinas hidráulicas; el rendimiento de todos ellos está por encima del 90% : Existen distintos tipos de turbinas hidráulicas; el rendimiento de todos ellos está por encima del 90% : Pelton (acción) Francis (reacción) Kaplan y hélice (reacción) bulbo (reacción) Aplicaciones: Aplicaciones: Central en red Estación aislada Accionamientos mecánicos Centrales reversibles: turbina/bomba Centrales reversibles: turbina/bomba
20 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos20 Energía hidráulica (3) Presa Generador Turbina Tubería Red eléctrica Aliviadero Componentes de un sistema hidráulico Descarga Embalse Sala de máquinas
21 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos21 Energía solar Irradiación diaria Tipos –Directa –Difusa o albedo –Reflejada Variable a lo largo del tiempo. Existen tablas con mediciones Necesidad de concentración
22 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos22 Energía solar Modos de aprovechamiento Térmica –Pasiva –Activa (ACS y calefacción) Termoeléctrica: generación eléctrica mediante motor térmico Fotovoltaica: generación eléctrica por efecto fotovoltaico
23 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos23 Consiste en la captación de la radiación solar mediante dispositivos en los que se calienta un objeto material o fluido caloportador. Energía solar pasiva: no existen elementos en movimiento, ni colectores propiamente dichos, o están integrados como elementos arquitectónicos. Es la utilización más antigua de la energía solar. –Orientación de cerramientos –Acristalamientos en viviendas –Soluciones constructivas tipo “muro trombe” y otros –Invernaderos –Secaderos de productos vegetales y animales Energía solar térmica Energía solar pasiva
24 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos24 Energía solar térmica Energía solar activa. Clasificación En la energía solar térmica activa, en general, un fluido de trabajo transita por el colector. Según la temperatura que se alcance en el fluido, los captadores se clasifican en Baja temperatura: generación de agua caliente hasta 100ºC en colectores planos, sin/con seguimiento solar en un eje. Media temperatura: generación de agua caliente o vapor hasta 250ºC, mediante colectores de vacío o de concentración, y, generalmente con seguimiento en un eje. Alta temperatura: generación de vapor o gases calientes a temperaturas mayores de 250ºC, para la generación de electricidad en turbinas de vapor o de gas. Son grandes instalaciones con campos de heliostatos con seguimiento solar en los dos ejes. Existen pocas en el mundo, siendo su desarrollo comercial incipiente. Muy alta temperatura: horno solar
25 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos25 Energía solar térmica Baja temperatura Subsistemas: Captación: colectores solares y elementos asociados a éstos. Almacenamiento: indispensable como en cualquier otra energía renovable. La energía térmica absorbida por el fluido térmico en el colector se almacena en forma de energía sensible en un depósito, que también requiere de ciertos elementos para su operación y control. Circuito de consumo: contiene distintos elementos: apoyo energético, intercambiadores, bombas, vasos de expansión, control, etc.
26 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos26 Energía solar térmica Media y alta temperatura: concentración solar Aplicaciones industriales de media y alta temperatura: caldera solar, desalación, destoxificación fotoquímica, etc. Central solar termoeléctrica –Colectores distribuidos –Torre Horno solar: hasta 3000ºC Photo Credit: Gretz, Warren DOE/NREL Photo Credit: Sandia National Laboratories DOE/NREL Parabolic-Trough Solar Power Plant Central Receiver Solar Power Plant © Minister of Natural Resources Canada 2001 – 2002.
27 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos27 Rendimiento de un colector plano El rendimiento de un colector plano
28 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos28 Energía solar fotovoltaica (ESFV) Sistemas aislados El efecto fotovoltaico consiste en la creación de una corriente eléctrica en el seno de un material semiconductor por efecto de la acción de una corriente fotónica incidente sobre su superficie Se genera una diferencia de potencial entre las caras del material que permite establecer una corriente continua al cerrarse el circuito Instalación aislada: –Colector –Acondicionador –Batería (almacenamiento) –Consumo Photo Credit: Tsuo, Simon DOE/NREL Photo Credit: Strong, Steven DOE/NREL Suministro doméstico Bombeo de agua Colector fotovoltaico Consumo Batería Acondicio nador
29 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos29 Energía solar fotovoltaica (ESFV) Instalaciones conectadas a red Instalación conectada a red pública: “el acumulador es la red” Se genera en continua, que hay que pasar a alterna para verter a la red. Componentes –Colector –Inversor (acondicionador) –Conexión a la red Dentro del Régimen Especial de generación eléctrica, las primas que se cobran por la generación y vertido a la red pública son muy importantes (alrededor de 0,42 €/kWh en 2006) Photo Credit: Strong, Steven DOE/NREL Central fotovoltaica Red eléctrica Generación distribuida Inversores
30 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos30 Energía eólica Fundamentos Teóricamente el flujo de potencia, P (W), que existe en una corriente en su paso a través de una superficie A (m 2 ) viene dado por: P = ½ A v3 donde la densidad del aire (kg/m 3 ) y v la velocidad del viento (m/s). Se define el coeficiente de potencia, C p (v), como la relación entre la potencia aprovechada por el rotor, dependiente de la velocidad, P a (v), y la existente en el viento, P: Torre viento Rotor (palas) Góndola o barquilla con generador Altura del eje
31 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos31 Energía eólica Curva de potencia La potencia aprovechada, P a (v), da lugar a la curva de potencia de la máquina, una vez introducidos los rendimientos del tren de potencia. 1. Velocidad de arranque o velocidad de conexión 2. Velocidad nominal o velocidad de diseño 3. Velocidad de corte El coeficiente de potencia, C p, tiene un máximo teórico del 59% (límite de Betz). En la práctica puede alcanzar valores superiores < 40%. Energía suministrada: se considera una media de 2.400 horas equivalentes de funcionamiento por año (discontinuidad del viento)
32 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos32 Energía eólica Aplicaciones Necesidades de viento –Velocidades medias > 4 m/s Posibles ubicaciones –Áreas costeras, cadenas montañosas, llanuras, etc. Aplicaciones: –Aisladas: generación eléctrica y bombeos (combinación eólico- fotovoltaica). –Conectada a la red eléctrica pública: las más desarrolladas; en España han tenido un auge considerable. Aislada-bombeo Eléctrica aislada Eléctrica conecada DOE/NREL Photo Credit: Green, Jim Photo Credit: Rodger, Elliot Photo Credit: NEG-MICON
33 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos33 Energía geotérmica y otras Energía geotérmica: basada en el aprovechamiento del calor que emana del centro de la Tierra Aprovecha la existencia de depósitos o corrientes de agua a elevada temperatura o entalpía. También yacimientos de roca caliente Se clasifican en –baja temperatura (150ºC) En la Región de Murcia se aprovecha: tradicionalmente en balnearios calefacción de invernaderos Sin interés Media temperatura Baja temperatura
34 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos34 Energía geotérmica y otras Energías marinas Las más desarrolladas son: Energía termo-oceánica: basada en el gradiente térmico entre las capas superficiales y profundas del agua del mar Energía de las olas: se aprovecha el movimiento oscilatorio mediante distintos mecanismos Energía de las mareas: se construyen embalses en entrantes naturales (rías, fiordos, etc.) con doble ciclo (inverso) de aprovechamiento en pleamar y bajamar. Energía de las corrientes oceánicas: mueven generadores de tipo hidráulico
35 Lec. 4 Energías renovables y de valorización de residuos35 Valorización de residuos urbanos e industriales (1) Se discute el carácter de energía renovable de los residuos urbanos e industriales –no lo son al producirse una destrucción neta de recursos energéticos –lo son si se considera que su formación es relevante a escala humana La utilización de los residuos como fuente energética está relacionada con la gestión integral de los mismos y su problemática: –la valorización energética de residuos es una alternativa a su destrucción y/o almacenamiento –su tratamiento está sometido, en general, a la normativa de residuos tóxicos y peligrosos –su incineración es problemática y está socialmente muy contestada, por: posible formación de sustancias altamente nocivas (dioxinas, PCBs/PCTs - bifenilos /trifenilos policlorados, etc.), partículas, etc. no elimina la raíz del problema (la superproducción de residuos), limita el reciclaje (que en sí mismo es una técnica de eficiencia energética),etc. –una alternativa a la incineración es su integración en otros procesos industriales, como la fabricación de cemento