Energía Solar

Es la responsable de los otros tipos de energía. Se puede convertir en energía útil a través de las siguientes maneras:

  • Energía térmica: Como captura de calor con sistemas activos y pasivos para regular la temperatura de los edificios. Como calor que se convierte en electricidad usando paneles de concentración solar.
  • Electricidad: A partir de conversión directa de fotones en un panel fotovoltaico.

La radiación solar es el producto de la fusión termonuclear del núcleo de hidrógeno para formar helio. Esto se produce en el Sol y llega a la Tierra en forma de radiación. Constante solar = 1367 W/m2, ratio entre la energía y el área en la atmósfera exterior. Un 21% de la radiación que llega a la superficie lo hace de manera directa y el 29% es radiación refractada. Las pérdidas son debidas a la absorción, reflexión y dispersión. La radiación depende más de la climatología que de la latitud. España es el 8vo país del mundo en generación de energía solar.

Las principales limitaciones están relacionadas con la variabilidad durante el año. La energía máxima se tiene en verano, pero depende mucho de la meteorología y la humedad atmosférica. No es una fuente continua de energía y generalmente hace falta añadir sistemas de almacenamiento. La energía termosolar depende de la radiación solar y la fotovoltaica de los fotones (luz).

La atmósfera filtra parte de la radiación, la que llega a nivel de suelo es:

  • Radiación directa que no ha interactuado con aire.
  • Radiación difusa que se ha dispersado debido a las partículas atmosféricas como polvo, agua, vapor.
  • La reflejada en la superficie de la Tierra.

¿Qué es la estacionalidad?

Va directamente relacionado con la disponibilidad de una fuente renovable e indica su intermitencia.

Geometría de una instalación solar, parámetros más importantes:

  • Latitud: Ángulo entre la vertical del panel y el ecuador.
  • Declinación: Ángulo entre la línea Tierra-Sol y el ecuador.
  • Inclinación: Ángulo entre el panel y su horizontal.
  • Azimut: Ángulo entre la proyección horizontal de la línea normal al panel y la línea entre el panel y el sud geográfico.
  • Incidencia: Ángulo entre la radiación directa y la línea normal del panel.
  • Ángulo horario: Ángulo que corresponde a una hora (15º). Barcelona –> S=45+-15º y y=0+-15º

Aplicaciones de la energía solar

Producción de energía térmica en instalaciones solar térmicas

Puede ser de baja, media y alta temperatura. Las de media y alta se pueden usar para generación termoeléctrica gracias a la generación de vapor y expansión en una turbina. Si se usa para para calentar agua doméstica, necesita un colector solar, acumulador, sistema de tuberías y bombeo y un intercambiador de calor.

Producción de electricidad en instalaciones fotovoltaicas

Sistemas pasivos:

No usan un fluido para calentar, usan la estructura del edificio para capturar calor y permitir la entrada de luz solar, reduciendo la cantidad necesaria de luz artificial.

Sistemas activos de baja temperatura:

Sirven para calentar agua o para calentar y enfriar edificios. Usan un fluido que retiene el calor que se va a usar o almacenar.

El elemento más importante de este sistema es el captador solar, formado por:

  • Una superficie que captura calor con tubos de cobre con un fluido que transporta esta energía.
  • Un recubrimiento transparente (vidrio o plástico).
  • Un aislante térmico.
  • Una caja de soporte metálica.

Sistemas activos de media temperatura:

El calor se concentra en el punto focal donde está el sistema de tuberías. El fluido es un aceite térmico y tienen un sistema de seguimiento solar que se puede mover en uno o dos ejes. Se usa en agua caliente y generación de vapor (100ºC-250ºC). Los elementos necesarios son un generador de vapor, sistema de almacenamiento de calor, sistema de control, tuberías y bombas. Las plantas con colectores solares se pueden conectar en paralelo para maximizar el caudal, pero teniendo menos temperatura, si están en serie el caudal será menor pero la temperatura será máxima ya que se irá calentando.

Sistemas activos de alta temperatura:

Concentración solar para generación de electricidad es un proceso de alta tecnología. T = 400-1000ºC. Únicamente la radiación directa que llega a la superficie de la Tierra se puede concentrar con suficiente eficiencia.

  • Torre de energía solar (Torre de potencia, receptor de energía central): La radiación solar es interceptada y redirigida a través de un campo de espejos que apunta a la parte superior de la torre. La energía es absorbida por un fluido térmico que es bombeado y almacenado durante un periodo largo hasta que llega a temperaturas de entre 500-600ºC. Se genera electricidad usando el ciclo de Rankine, gracias a que el fluido caliente se usa para generar vapor y mover la turbina. Los espejos se mueven.
  • Colector cilíndrico-parabólico: La radiación solar se refleja a un colector central con un fluido térmico, que trabaja de 100-400ºC. Se pueden conectar las instalaciones en serie, para incrementar la temperatura, o en paralelo para tener un mayor caudal de fluido caliente. Necesitan superficies muy amplias y una alta inversión inicial.
  • Concentrador solar parabólico: La radiación solar se refleja hacia un receptor en el punto focal donde se encuentra un motor que convierte la energía térmica en eléctrica. Las temperaturas de trabajo son 600-1500ºC. Como más alta la temperatura mayor eficiencia, pero también puede dañar al equipo, por eso es importante diseñar correctamente los sistemas de refrigeración.

Energía fotovoltaica

Efecto fotovoltaico:

La clave es convertir energía de la luz en corriente eléctrica, gracias al efecto fotovoltaico de los materiales semiconductores. Los semiconductores tienen una conductancia no permanente, que depende de la energía disponible para activar electrones en la red cristalina. El band gap es una propiedad intrínseca del semiconductor y tiene un efecto directo en el voltaje de la célula fotovoltaica. Las bandas de los metales se superponen, por lo que no se necesita ninguna energía significativa para liberar los electrones. Están disponibles para la conducción tan pronto como se proporciona el gradiente de potencial. El band gap es lo suficientemente grande como para evitar la conducción espontánea y proporcionar separación de cargas, y lo suficientemente pequeña como para igualarla con la energía de los fotones. En los aisladores, el espacio entre las bandas de valencia y de conducción es muy grande, por lo que se requiere tanta energía para liberar los electrones que puede dañar el propio material. Ventajas: No tienen partes móviles, no hacen ruido, no necesitan mucho mantenimiento, se pueden integrar en otros equipos y son adaptables a la necesidad energética. La energía del fotón depende de la longitud de onda de la luz. Como más corta, mayor frecuencia y energía.

Efecto fotoeléctrico:

Fenómeno que se da en el band gap entre la banda de valencia y de conducción. En conductor no hay band gap y los electrones son libres. En semiconductores necesitamos una energía extra. La energía de un fotón sería suficiente para conseguirlo.

Absorber luz:

Un fotón golpea ciertos materiales conductores o semiconductores. Al ser golpeados por fotones, los electrones de los metales conductores o semiconductores capturan la energía cuántica de los fotones.

Generar cargas:

Si la energía es lo suficientemente grande desplaza el electrón a un estado energético superior. Separar las cargas para conseguir flujo de e-: El equipo crea una diferencia de potencial que dirige los electrones para producir corriente ordenando los materiales y conectándolos eléctricamente entre ellos.

Al recibir luz el número de electrones libres de n aumenta a la vez que el número de agujeros de p. Si se conectan ambos materiales con una carga se crea una circulación neta de corriente eléctrica en el sentido: material n Carga material p  unión n-p.
Band gap de materiales diferentes: Si tenemos un fotón con energía de 2 eV golpeando una superficie de silicona 1,1 eV de esa energía se usará para mover un electrón a la banda de conducción y el resto de energía 0,9 eV se disipará como calor. Los materiales con bajo band gap como el germanio se usan para capturar fotones de baja energía y los de alto band gap como nitrito de cobre para fotones de alta energía. Si se combinan, se puede usar de manera más eficiente la radiación disponible. Sólo un electrón se puede mover por cada fotón, por eso la eficiencia de las células fotovoltaicas es limitada.

Máxima eficiencia de una célula solar:

Depende del band gap, si es muy alta no habrá efecto fotovoltaico, pero si es muy pequeña los fotones tendrán más energía de la necesaria para excitar electrones y el resto se perderá. El máximo es un 33,7% aprox.

P-N Junction:

En un cristal de silicio normal, cuando la absorción de un fotón induce la liberación de un electrón de la valencia de la banda de conducción, se forma un agujero en la red cristalina y el electrón excitado y el agujero se pueden recombinar para liberar calor, cosa que no es deseada, por eso se usa Doping.

  • P-Type semiconductor: Cuando se incluye boro a la estructura en lugar de silicio, como el boro tiene una valencia 3 y el silicio 4, hay una gap en la estructura que puede aceptar electrones. Tiene centros positivos para aceptar electrones.
  • N-Type semiconductor: Cuando se dopa con fosforo, que tiene valencia 5 y con un electrón de valencia adicional, que no hace enlaces covalentes, este electrón puede ser donado Los p-semiconductores tienen exceso de portadores de cargas positivas y los n-semiconductores exceso de portadores de cargas negativas, si se combinan, representarán la p-n junction. Cuando la luz incide sobre la superficie del material p-n, los fotones excitan electrones en la banda de conducción, creando así un par electrón-hueco. Si esto sucede en el lado dopado con n del p-n, el electrón recién excitado se aleja de la unión, y el hueco es desplazado a través de la unión hacia el lado dopado con p. Esta separación del par electrón-hueco se logra mediante la acción del campo eléctrico en la región de carga espacial. Luego, proporcionando el circuito externo (un cable) entre los semiconductores p y n, podemos iniciar el movimiento del electrón desde el lado dopado con n hacia el lado dopado con p, donde se recombina con un hueco. Esta corriente eléctrica inducida por foto es la energía utilizable que se puede cosechar.

Rendimiento panel fotovoltaico:

Para estimar la magnitud de la corriente eléctrica es importante conocer el tráfico de electrones a través del band gap como generación o corriente de luz inducida IL. q es la carga del electrón, N es el número de fotones absorbidos y A es la superficie del semiconductor expuesto a la luz

IL=q·N·A

Máximo voltaje de una célula solar:

Se determina por el band gap del semiconductor.

V=Egap/q

El valor máximo nunca se consigue porque hay pérdidas y limitaciones en el proceso.

Representación de una célula solar en un circuito eléctrico

  • Cuando la corriente es 0: La célula tiene el voltaje máximo, ya que no hay corriente, no hay trabajo. Es un voltaje de circuito abierto y depende del material de la célula.
  • Cuando el voltaje es 0: La corriente llega al máximo, llamada corriente de corto circuito y es la corriente máxima que la célula puede generar. Depende de los fotones que se absorban por el material, las propiedades ópticas de la célula y su tamaño.

Si la intensidad de la luz solar disminuye, la corriente de cortocircuito disminuirá. Power (P)=V·I
La fase más costosa para producir un panel fotovoltaico es la tercera que es la transformación de Mg-Si en Sog-Si, conversión de arena de silicona en silicona de alta pureza.

Pros de la energía solar:

  • Es una fuente renovable.
  • Reduce la factura de la electricidad.
  • Tiene diversas aplicaciones.
  • Bajo coste de mantenimiento.
  • Tecnología en desarrollo.

Contras:

  • Depende del clima.
  • Alto coste inicial.
  • El almacenamiento de energía solar es caro.
  • Utiliza mucho espacio.
  • Su producción genera problemas de contaminación

Tipos de paneles fotovoltaicos e innovaciones recientes

  • Paneles de silicio mono cristalino: son un solo cristal, muy caros, tienen mayor salida de potencia por unidad de superficie y rendimiento conversión solar a E. Eléctrica alto (25%).
  • Paneles de silicio policristalino: Cristales con límites de grano que actúan como resistencia, con menor salida de potencia por superficie y rendimiento del 15%.
  • Paneles de silicio amorfo (thin film): Muchos más límites de grano. Pasta de silicio que se puede depositar en diferentes superficies, muy versátil, poca salida de potencia. Es barato y tiene rendimientos menores del 10%. Una célula individual, de unos 75 cm2, produce un ½V de 0,5V y una intensidad de 2A, es decir, una potencia aproximada de 1W al ser irradiada con una intensidad de 1000 W/cm2 de luz, cuyo rendimiento es del 15% dependiendo del semiconductor. Las células se agrupan en módulos o paneles fotovoltaicos, conectándose en serie o en paralelo. Cada panel tiene de 28 a 40 células (normalmente 36), cada célula una superficie entre 0,1 y 0,5 m2. Los paneles se conectan a baterías en tensiones de 24V o múltiplos de 12 V (24 V, 36 V, etc.), normalmente del tipo de plomo ácido y se orientan al sur. La instalación debe incluir: soportes metálicos, un regulador para evitar la sobrecarga de la batería, un desconectador para evitar también descargas profundas de la batería y para interrumpir la conexión antes de alcanzar valores críticos y un convertidor (cc) → (ca) para conectar a la red eléctrica.

Factor clave: eficiencia neta de la conversión de energía solar en electricidad.

Límites de trabajo:

El factor clave es la eficiencia neta de la conversión de energía solar en electricidad. Para una misma insolación, el área necesaria para alimentar una carga es inversamente proporcional a la eficiencia del equipo. Actualmente la eficiencia máxima es 20% dependiendo de factores como: Perdidas por reflexión o en la superficie Ineficiencia en la unión n-p o en los materiales por un mal dopaje Perdidas óhmicas en el circuito. También deben tenerse en cuenta la durabilidad de los módulos (vida media de 20 años) en los costes de inversión (60% del coste total), por ello se investiga en materiales más baratos y duraderos.

Energía Geotérmica

Es la energía termal almacenada dentro de la tierra. Está distribuida en líquidos en la corteza de la Tierra. Para que sea rentable ha de tener las siguientes condiciones:

  • Ha de ser accesible. Se usan los mismos taladros que en las petroquímicas.
  • Ha de tener cierto grado de productividad, suficiente cantidad de fluido a alta presión y temperatura confinado en una formación geológica que sea permeable y porosa.

Usos principales:

  • Energía térmica (50ºC 150ºC): El vapor de los depósitos geotérmicos puede usarse para generar electricidad gracias a la expansión en una turbina. La eficiencia es baja 5-20% pero el calor es gratis.

Dependerá de:

  • Temperatura.
  • Profundidad.
  • Porosidad roca = Fluido

Si está a alta temperatura, baja profundidad y alta porosidad/permeabilidad será una zona de alta actividad geotérmica. Tiene que estar cerca de magma.

  • Baja calidad: Temperatura de 25-150ºC. Varios kilómetros de profundidad. En Formaciones geológicas de baja porosidad
  • Alta calidad: Temperaturas mayores a 250ºC. Menos de 3km. Rocas de alta porosidad

Recursos geotérmicos

  • Hidrotérmico: Recursos a alta temperatura con magma. Fuente de agua caliente o geiser cerca de zonas con actividad volcánica o tectónica porque necesitan: fuente de calor (intrusión de magma); formación geológica con suficiente permeabilidad para permitir el movimiento del flujo; suministro adecuado de fluido; tiempo para que el fluido sea calentado; vía de escape hacia la superficie. Los depósitos se encuentran a T de hasta 350ºC de profundidad 1-4km de la corteza con zona permeable para permitir el movimiento de fluido (rocas porosas). Hay vía de escape a la superficie. Fluido es agua de lluvia que ha precolado hasta encontrar la fuente de calor (magma). Depósitos naturales a presión y temperaturas de hasta 350ºC: USA, Indonesia, Filipinas, Italia, Turquía y Nueva Zelanda. Depósitos naturales domésticos a temperaturas de entre 80-300ºC se usan para agua caliente de proceso doméstica. Si la presión es suficiente para evitar la ebullición la fase vapor se acumula en la parte superior del depósito. Esta fase gas es vapor sobrecalentado y gases no condensables (vapor libre de sólidos) y se usa para expandir una turbina y así, generar electricidad. Recursos más fáciles de explotar y más eficientes. El poco contenido en materiales disueltos no supone ningún problema de corrosión.
  • Geopressurizado: Menos fluido y menos temperatura, pero más presión de salida. Los depósitos son mezclas de arena y rocas sedimentarias (a presión cercana a la hidrostática): fluidos con cierta movilidad (debido a la permeabilidad de la arena). T entre 150-180ºC. Contienen agua caliente a presión y metano. Conseguir obtener agua directa del acuífero y así, energía eléctrica.
  • Rocas calientes: Temperaturas relativamente altas, pero con poco fluido y poca permeabilidad. Depósitos a T altas>200ºC. Lo que hacemos es que, si realmente se necesitan, perforamos un pozo de salida y trituramos la roca entre ambos pozos. Inyectamos agua desde el exterior, cruzará las fisuras y saldrá por otro pozo. Es interesante porque tenemos más de 200 ºC, pero como tenemos que inyectar fluido tenemos un gasto de bombeo. Depósitos con baja permeabilidad, aprovechamiento de recursos sigue estos pasos: Perforación de un pozo de entrada hasta llegar a una profundidad de T suficiente. Perforación de un pozo de salida paralelo al anterior. Fracturación de la roca para crear canales de paso del fluido. Al inyectar fluido a presión por el pozo de entrada, éste circula entre las fracturas cogiendo el calor retenido en la roca y sale por el pozo de salida. Aprovechar el calor: lazo cerrado del fluido en un intercambiador de calor. Proceso simple, pero hay dificultades como la tecnología necesaria para la perforación o necesidad de presurizar el fluido de trabajo: poco viable $$.
  • Magma: Implicaría ponerlo al lado de un volcán, de momento no se hace. Trabajar en zonas cercanas al magma para extraer energía de rocas fundidas. Son zonas accesibles (menos de 7km de la superficie) al lado de un volcán. Aun no se ha realizado porque los equipos necesitan aguantar T entre 700-1000ºC. Principal problema es encontrar depósitos de magma a profundidades

Equipos

  • Intercambiador de calor: Cantidad de calor transferida al exterior entre 5-15 veces la potencia producida (se necesitarían intercambiadores muy grandes)
  • Turbinas: Deben ser pequeñas para recudir costes y pérdidas de calor. No suele haber problemas de corrosión o cavitación, ya que se trabaja con vapor sobrecalentado.
  • Condensadores: Una parte muy importante del calor es enviado al entorno. La inversión de la construcción de condensadores y torres de refrigeración es un factor muy importante a tener en cuenta; acostumbra a ser elevada.

Para generación térmica doméstica hay dos maneras, por profundidad haciendo un pozo o por extensión. Con esto puedes regular la temperatura de tu casa. El coste de inversión inicial es alto, pero a la larga ahorras más que con una caldera de gas.

Bomba de calor:

En tu casa haces un pozo e instalas una bomba de calor, ya que a ciertos metros debajo de tierra, la Tierra tiene una temperatura constante, más alta que el aire en invierno y más fresca que el aire en verano, así que se puede usar para refrigerar tu casa durante todo el año. Se puede tener un 40% de ahorro energético.

Impacto medioambiental de la geotérmica:

Las plantas de energía no generan emisiones ni sonido. La mayor parte de la instalación está ubicada debajo tierra así que el impacto visual es pequeño. Puede conllevar riesgos sísmicos, ya que extraen recursos de zonas con alta actividad sísmica y podrían provocar movimientos de rocas.

Situación actual de la energía geotérmica:

Es una muy buena alternativa para los países emergentes, ya que otorga una fuente ininterrumpida de energía, limpia y independencia energética. Filipinas e Indonesia han invertido mucho dinero en ello. En España no se usa apenas, pero algunos sitios que lo tienen instalado es el Metro de Madrid, Edificio Alexandra en Sabadell, Canarias y la Biblioteca de Vigo.

Energía Oceánica

La Tierra tiene 3 movimientos: Rotación. Traslación. Nutación.
La energía oceánica puede ser de 3 tipos, pero solo se puede aprovechar en pequeñas fracciones. Todos sirven para generar energía eléctrica:

  • Mareas: Mareomotriz (gravitacional). Como mayor sea la altura de la marea mejor será la instalación. Pocos puntos con energía suficiente (3 actualmente). Se producen por la interacción gravitatoria entre la Tierra/Luna y la Tierra/Sol, es un proceso cíclico con dos movimientos por día. Más variación, mejor será la energía generada. Tiene una eficiencia de un 20-35%. La Rance.
    Maximum energy output=mg (R (Maximum height))/2=(ρ·A·R)g R/2
  • Olas (Undimotriz): Es la energía cinética de las olas (interacción entre el viento y grandes extensiones de agua) y corrientes marinas. Son creadas en un principio de forma caótica, pero a medida que se acercan a la costa (profundidad del mar igual a la longitud de onda de la ola) la longitud de onda se hace más pequeña, la velocidad se reduce y el perfil se hace más uniforme. La energía cinética de las olas puede convertirse en energía potencial creando rampas. Se instalan turbinas para aprovechar la energía o para generar presión. Entorno hostil. Las últimas investigaciones se centran en implementar el energy harvesting. Ejemplo: Mutriku. Energía máxima
  • Gradiente térmico oceánico. Existe un cinturón de agua caliente envolviendo la tierra en un margen de +- 20º al norte y al sur del ecuador, con diferencias de hasta 25ºC entre la superficie y las profundidades a 100m. No hay muchas zonas en el mundo habitables, debemos ir al centro oceánico (islas de la polinesia) para producir energía eléctrica. Los recursos son inmensos pero difíciles de explotar porque: necesidad de colocar las instalaciones en alta mar (se buscan profundidades mayores) y dificultad de transportar la energía hasta tierra. Archipiélagos del Pacífico presentan mínima viabilidad: gradientes de temperatura son máximos; instalación de pequeñas unidades en las diferentes islas sería suficiente para suplir la demanda. Actualmente no hay ninguna instalación a gran escala.

2 ciclos para aprovechar la energía de los gradientes de temperatura oceánicos (los dos tienen un rendimiento del 8%):

  • Ciclo directo: Agua caliente (de la superficie) es evaporada. El vapor circula a través de una turbina de baja presión y posteriormente es condensado y devuelto al océano. El fluido refrigerante es agua, más fría, de las profundidades oceánicas. El vapor generado está a baja presión salida de potencia muy pequeña. Es necesario tener muchos de ellos conectados en paralelo para obtener potencias útiles. Un equipo con una salida de 100 MW necesitaría una tubería de 100m de diámetro.
  • Ciclo indirecto: Estos equipos funcionan como aires acondicionados con fluidos refrigerantes tales como amoníaco, propano o freón. El agua del océano se utiliza como fuente de calor en el evaporador o como receptor de calor en el condensador. Fuente térmica es agua caliente a la superficie que se devuelve a las zonas más frías. Calentamos un freón en una bomba de calor para generar electricidad en una turbina.

Si el río tiene más fuerza que el mar se llama delta. Si el mar tiene más fuerza que el río se llama estuario, en Islandia se llama fiordo. Energy harvesting: Sembrar mucho dispositivos que generan poca energía pero si ponemos muchos tendrán un impacto importante.

Problemas medioambientales y económicos

  • Son muy caras y los combustibles fósiles son más baratos.
  • El océano puede destruir las infraestructuras.
  • Tiene un impacto bajo en el ecosistema, posiblemente en las rutas migratorias de los animales.

El profe no cree que las mareomotriz tengan mucho futuro a nivel gran escala. Energía de las olas cree que es la que puede tener más futuro, ya que hay olas en todo el mundo y se podría usar de manera municipal.

Biomasa

Son todos los vegetales vivos + residuos derivados de plantas y animales. Más o menos se puede considerar renovable ya que algunas se renuevan a escala humana. La biomasa seca es una mezcla de celulosa, hemicelulosa y lignina. Las ventajas son que es “renovable” y disponible y no está concentrada en ningún país. Se pueden obtener distintos tipos de energía de cada fuente. Permite revalorizar los residuos. Puede reducir emisiones de CO2. Desventajas: Tiene una baja densidad energética. En la mayor parte de la biomasa hay agua, hay que secarla antes de usarla. El uso intensivo de biomasa para generar energía puede hacer que el precio de la comida y el agua aumenten.

¿Qué tipos de biomasa hay?

  • Biomasa seca (Madera):
    • Combustión  Energía térmica  Energía eléctrica.
    • Pirólisis  Gases  Energía térmica.
       Líquidos  Combustibles.
       Sólidos  Resinas (biorefinería).
  • Azúcares: Celulosa y hemicelulosa (cadenas de azúcares):
    • Energía térmica (combustión).
    • Ruptura de cadenas + Fermentación  Bioetanol
  • Biomasa húmeda: Purines  Digestión anaerobia  Biogás.
  • Residuos
    • Fracción seca
    • Fracción húmeda  Digestión anaerobia  Biogás.
  • Aceites  Transesterificación  Biodiesel

Actualmente fabrican 2 millones de barriles al día, pero la demanda mundial son 99 millones.
De la lignina se obtiene un compuesto fenólico, con el que se fabricarán resinas fenólicas.
La biomasa seca tiene un bajo calor específico y no contiene azufre.

Para pasar de biomasa a combustibles

  • Biodiesel (transesterificación de aceites o alcoholes, también obtiene glicerol)
  • Bioetanol (Fermentación) (Gasolina)
  • Biogas, CH4+CO2 (50%) (Digestión Anaerobia)

Como generar electricidad de la biomasa:

  • Co-Pirólisis del carbón: Para reducir emisiones.
  • Combustión directa: Generar vapor y producir electricidad en ciclo de Rankine.
  • Ciclos combinados: La biomasa es gasificada quemado el gas formado (mayor contenido energético que la biomasa sólida) para generar vapor o gases de combustión que serán expandidos en una turbina de gas.
  • Conversión térmica (procesos termoquímicos), para generar combustibles líquidos o gaseosos a partir de la biomasa.
    Desde residuos de agricultura y pasando por pirólisis, obtenemos gases, Bio-oil líquido y residuos sólidos.

Pirólisis:

Tratamiento térmico sin oxígeno. Es una degradación térmica y recombinación de moléculas orgánicas de otros compuestos. Obtenemos una biomasa seca a alta temperatura y sin oxígeno (Se usa Feedstock, que son biomasas lignocelulósicas).

  • Gas: H2,CO, CO2, …, C5, etc.
  • Tar (Compuestos orgánicos que condensan a temperatura ambiente) Bio-oil  Motor combustion
  • Sólido biochar: Sólido rico en carbono.

Bioconversión:

Proceso bioquímico que usa microorganismos para convertir substancias en otras, por ejemplo, la fermentación, que los azúcares se transforman en etanol. Es más lenta que la conversión térmica y tiene una baja eficiencia.
Factores que aumentarán la demanda de biogás: La necesidad de procesar grandes cantidades de residuos. Leyes de reducción de CO2. Su potencial en distintas industrias. El biogás también se puede generar desde una digestión anaerobia.

Purines de cerdo como fuente de energía:

Problema en España de los purines de cerdo (Pig Slurry). Las granjas se limpian con agua y se forma 1 m3 purín/cerdo. España es top 4 en producción de cerdo.
Composición: El pig slurry está formado principalmente por agua (95%) y 2-7% de sólidos, también orina.
Antes como se limpiaba manualmente se podía usar como fertilizante, pero ahora que se limpia gastando mucha agua y hay demasiada cantidad de cerdos, hay problemas. Catalunya superan los límites ya que se usa como fertilizante y los niveles de nitrógeno en el suelo y acuíferos se disparan. Genera emisiones al aire y agua. Forma amoníaco, metano, óxido nitroso, NO2. También se crea nitrógeno, fósforo y metales pesados, que causan eutrophication.

Tratamiento de los purines de cerdo:

Usando digestión anaerobia. Es un proceso biológico sin oxigeno en el que parte de la materia orgánica del slurry animal se convierte en una mezcla de gases gracias a microorganismos y se obtiene biogás. Tiene 3 etapas, la hidrólisis, la acidogénesis y la metanogénesis. También se puede hacer un secado para usarlo directamente como fertilizante. Casi todo el pig slurry se convierte en biogás menos la fracción no biodegradable, 10%. Hay que controlar:• pH, ha de estar cerca de 7.• Alcalinidad, ha de haber 1,5g/l de CaCO3.• Potenciales redox de menos de 350 mV.• Nutrientes para que sobrevivan los microorganismos• Cantidad mínima de compuestos tóxicos o inhibidores.• Temperatura, unos 35ºC• Tiempo de retención, típicamente 20 días.
El problema es que tardan mucho más tiempo, 20 días, mientras que un proceso químico tarda 3 horas, pero usa mayor temperatura.
Usos del biogás (CH4, CO2):• Quemarlo para obtener calor, generar vapor y producir electricidad.• Quemarlo en máquinas o turbinas para obtener electricidad.• Conversión directa en una célula de combustible para conseguir energía.• Purificación y aumento de fracción de metano para usarlo en el sistema de gas.• Como químico y también en la síntesis de metanol.
Para una planta de generación de biogás, podemos usar cualquier tipo de residuo orgánico.
Digestato: Residuos de la digestión anaeróbica. Tiene parte de materia orgánica y de materia inorgánica. Se puede usar directamente en los campos como fertilizante. Ventajas: Revalorización de los residuos. Estabilización y mineralización parcial de materia orgánica. Homogeneización. Control de olor. Menos emisiones . Desventajas: Coste inicial alto. Mantener el equilibrio entre bacterias. Lento. Alta sensibilidad a los cambios de pH, T, etc.  Se necesita secado.
Plantas de secado: Se utiliza calor para secar los purines, quedando un residuo sólido de mucho menor volumen, que se aprovecha como abono orgánico. El calor se produce en una planta de cogeneración que además de vapor (la fuente de calor) produce electricidad que se vende con una prima, según el Régimen Especial de la Generación Eléctrica. Es el tratamiento más habitual por su menor coste.
Plantas de digestión anaerobia: Se obtiene biogás, mediante microrganismos en ausencia de aire. Es un tratamiento mucho menos habitual debido a la poca rentabilidad que tiene actualmente. En un futuro quizá sea más útil debido a las mayores aplicaciones que presenta el biogás.Plantas de biogás: En los últimos años el número de pantas de digestión anaerobia para generación de biogás han aumentado de una forma muy importante en toda la UE. Acostumbran a ser plantas más pequeñas con salidas de potencia de centenares de kW donde se busca la descentralización de la gestión de residuos. Trabajan con purines de cerdo y de otros animales y con residuos agroindustriales. En este tipo de instalaciones, España ocupa la undécima posición en la UE a pesar del gran potencial agrícola que presenta. Aun así, el sector está experimentando un importante crecimiento. El mayor número de plantas de biogás en la UE se encuentra en Alemania.
VENTAJAS INCONVENIENTESEs renovable y asequible a nivel doméstico. El cultivo intensivo de la biomasa puede agotar la tierra, el agua o desplazar otros cultivos. Puede competir, en el uso de la tierra, agua, abonos…con
la producción de alimentos.No está concentrada por regiones o países. Muy dispersa Se pueden obtener muchas formas de energía y productos portadores de energía a partir de ella. En la mayoría de la biomasa el contenido en humedad puede llegar al 50%. La biomasa debe ser secada antes de poder aprovecharse con lo que la eficiencia térmica disminuye considerablemente. Permite convertir residuos agrícolas y urbanos en energía.  Se puede utilizar como método de reducción de CO2 atmosférico. La combustión de biomasa se considera que no emite CO2 porque se considera que el CO2 que emite es el que captó la planta durante el crecimiento. Actualmente los biocombustibles son más caros que los combustibles fósiles debido a los costes relacionados con el cultivo de la biomasa. Tiene un contenido en azufre mucho menor al carbón (0,2% p/p contra 5% p/p) produciendo menores emisiones de SOx durante su combustión. No emite CO2, pero puede afectar negativamente al medioambiente de otras maneras. Usar biomasa en global sí que tiene impacto negativo en CO2.
Es más reactiva en la gasificación con vapor que la mayoría de combustibles fósiles. La densidad energética de la biomasa es pequeña comparada con la del carbón o el petróleo. Su poder calorífico es comparable al del lignito pero entre un 50% y un 100% inferior al de la antracita, muchos carbones bituminosos o el petróleo. Puede mezclarse con carbón en la copirólisis para reducir las emisiones de partículas, SOx y CO 

Los residuos sólidos se pueden clasificar como urbanos o industriales y se pueden usar como fuente de energía térmica, electricidad u otros combustibles. Están compuestos de Materia orgánica 38%, Papel 21%, Plástico 16%, Metales 5%, vidrio 8%. Con una composición química de: humedad (20-25%), C (25%), O (19%), H (3%), metales (8%)…
La gestión correcta de los RSU (MSW) es un derecho reflejado en la constitución. 43.1. y 148. La gestión de residuos se hace de diversas maneras:• Recogida selectiva y reciclaje. Incineración con valorización energética. Metanización de la fracción orgánica. Exportación del combustible sólido recuperado (RSF). Vertido controlado de residuos. Vertido ilegal. La gestión de residuos tendría que ser (En este orden): Prevención, Reúso /Reacondicionamiento, Reciclaje, Recuperación de energía, Eliminación de residuos.
Los pasos que se siguen son: 1. La basura llega y se tritura. 2. Con imanes se quitan los férricos. 3. Se separa arena vidrio, fracciones pequeñas en tamiz. 4. Separador inductivo (foucoult) aluminio… reciclaje. 5. Separador por densidades (corrientes de aire). La parte pesada va a vertedero y la ligera se separa entre los plásticos reciclables y los que no son. 6. CSR se acaba quemando (cartones, papel, plásticos, fracción orgánica, se nos ha colado metales, aluminio y otras cosas).
Plantas de incineración: La obtención de energía térmica y energía eléctrica a partir de los RSU se consigue en las plantas de incineración (plantas de cogeneración). En Europa existen unas 400 plantas que equivalen al 28% de todos los RSU generados. En Catalunya hay 4 plantas de las 10 que hay en España. Capacidad total de aproximadamente 2.500.000 t/año (10% de los RSU generados). Utilizan gas natural como combustible suplementario.
Plantas de valorización energética: Son plantas de cogeneración en las que el residuo se quema para obtener calor y electricidad.
¿Cuándo se exportan los servicios? Cuando hay tasas altas asociadas al vertido de residuos. Cuando no hay infraestructura suficiente.
¿Cuándo se importan los servicios? Cuando hay tasas por usar combustibles fósiles. Exceso de capacidad. Ayudas por renovables.
Son útiles porque anualmente reducen las emisiones de CO2 y también el volumen de residuos. Aunque también generan residuos:• Gases ácidos como ácidos halogenados o sulfurados.• Metales pesados: Pb, Cd, Hg, Sb, As.• Polvo y ceniza de óxidos metálicos y silicatos.• Procesos de combustión incompleta: VOC, CO, fenoles.• Hidrocarburos halogenados.
Todas las plantas de valorización de residuos han de tener los siguientes pasos de limpieza y purificación de gas después de una combustión (Flue gas cleaning): Cámara de postcombustión (donde los productos de la combustión incompleta son quemados). Inyección de urea (para eliminar NOx). Electro filtro (Para retención particulada). Ducha de componentes básicos (Usando carbonatos para neutralizar los gases ácidos). Inyección de carbón activo (Adsorber dioxinas i furanos). Filtro de bolsa (Para la depuración final). Formación dioxinas: Las dioxinas se forman si hay Cl presente y se emiten a la atmosfera como gases de combustión. Los absorben los vegetales y el suelo, también los animales cuando comen. De los animales se puede transferir a los humanos y pueden causar: Lesiones en la piel (cloro acné), problemas cardiovasculares, problemas de riñón, disfunción reproductiva, cáncer, afectan al sistema respiratorio e inmunitario. 
Se forman cuando hay compuestos halogenados en el sustrato. En una reacción en fase gas, cuando está catalizada por componentes presentes en ceniza y a baja T.Como destruirlas: Las temperaturas postcombustión destruyen las dioxinas, pero se vuelven a formar cuando la temperatura disminuye en el boiler o la chimenea. Para eliminarlas definitivamente lo mejor es usar filtros de carbón activo.El viento se produce por el calentamiento diferencial entre el agua y la superficie de la tierra. Un 2% de la energía solar se convierte en energía del viento. Se necesitan 1000h al año de viento para que una instalación sea rentable. Hay muchos recursos el problema es que el viento cambia mucho durante el año, quizás la generación y la demanda no van a la par. Los mejores campos eólicos no siempre se encuentran cerca de las ciudades.
Situación actual: Es una de las renovables más desarrollada y estudiada. Su instalación es más cara que los combustibles fósiles. Es difícil mejorar más la eficiencia de las turbinas, los científicos ahora se centran en minimizar las perdidas de energía, crear materiales más ligeros, sistemas de control más eficientes para reducir el estrés. Para 2050 se estima que un 10-20% de la energía vendrá de la eólica. España top 6.
La electricidad se genera cuando el viento llega a las aspas moviendo el rotor. Como mayor sea la velocidad del viento mayor energía generada. El poder útil es mucho más pequeño ya que se pierde mucha energía en el proceso.
Una ubicación ideal para la eólica seria:3 1000 h/año
Relación entre el poder generado y la velocidad del viento: P/A=ρ/2·v^3 P: Potencia. A: Área. ρ: Densidad. V: velocidad
Relación entre la velocidad del viento y la altura de la torre (superficie lista ideal) v_2/v_1 =(h_2/h_1 )^(1/7)
Potència eòlica depèn de 3 factors principals: F(v) = + velocitat  = + potencia ºF(h) (funció altura) = + Altura = + velocitat = + potencia (Comparant 2 turbines sobre la mateixa cota) F(ρ) = La densitat del aire disminueix amb la altura, si es posa una torre a nivell del mar, a terra, tindria més potencia que a 1000 metres d’altures (2 turbines a diferent cota). La densitat de l’aire també disminueix amb temperatura i la temperatura del aire puja amb la alçada. + altura – Temperatura, millor.
Eficiència màxima a la turbina: El número final és el coeficient de rendiment màxim en condicions ideals, rendiment de Betz.
Mai tindrem un rendiment més alt del 0,593 és com el rendim de Carnot, és un valor teòric.


3 aspes oposa una bona àrea contra el vent sense posar massa pes, per aquest motiu normalment els molins tenen 3 aspes. Que no es produeixin fenòmens de ruptura de capa límit per número de Mach.  Anemòmetre: Controlar la velocitat del vent.
Brake: Per parar el rotor en cas d’emergència.Controlador: Engega la màquina quan la velocitat del vent es de 3,5-7 m/s i l’apaga quan supera els 24 m/s ja que es poden trencar.Gearbox: Passa d’una rotació molt lenta a una rotació molt ràpida. Permet generar més energia, és car i pesa molt.Generador: Produce electricidad de corriente alterna de 60 ciclos; generalmente es un generador de inducción comercial. Eje de alta velocidad: Acciona el generador. Eje de baja velocidad: Gira el eje de baja velocidad a aproximadamente 30-60 rpm. Nacelle: Se encuentra en la cima de la torre y contiene la caja de engranajes, los ejes de baja y alta velocidad, el generador, el controlador y el freno. Algunas nacelles son lo suficientemente grandes como para que un helicóptero pueda aterrizar en ellas. Pitch: Gira (o inclina) las aspas fuera del viento para controlar la velocidad del rotor y para evitar que el rotor gire en vientos que son demasiado fuertes o débiles para producir electricidad. Veleta: Mide la dirección del viento y se comunica con el sistema de orientación para alinear adecuadamente la turbina con respecto al viento. Sistema de orientación y motor de orientación: Orienta las turbinas contra el viento para mantenerlas frente al viento cuando cambia la dirección. Las turbinas a favor del viento no requieren un sistema de orientación porque el viento mueve manualmente el rotor lejos de él.
Como más alta es la torre, mayor es la energía que genera, pero también es más cara. Pueden ser metálicas (más baratas) o tubulares (proteger  pájaros).
Motor Síncrono: Modelo + maduro y + baratoMotor Asíncrono;  Modelo + simple y  – costes de mantenimiento y  Mayor rango de interoperabilidad Onshore (tierra) vs Offshore (mar): Los emplazamientos onshore están casi agotados. Es difícil encontrar un emplazamiento offshore con poca profundidad y buen viento. La eólica offshore es cara. Onshore 0.75- 1M€/MW, offshore 2-3M€/MW, también se incrementa el coste de mantenimiento. Para altas potencias se necesitan alturas de buje de +130m onshore, con offshore a partir de 80m.Offshore és millor però necessita terra per poder-se instal·lar. Les flotants són interessants però s’han de mantenir estables. A Espanya hi ha problema per ficar tubines offshore perquè lluny de la costa el sol submarí baixa ràpid i no es poden instal·lar. Consideracions mediambientals: L’energia eòlica no genera emissions, els problemes mediambientals estan relacionats amb els materials emprats en la seva construcció. Altres factors a considerar son: Soroll, interferència amb les rutes de migració dels ocells i la seva mort. Ús del terreny. Impacte visual.  És energia potencial per diferència d’alçada + energia cinètica d’un fluid perquè es fa passar per una canonada estreta. L’aigua baixa de les regions superiors fins al mar, contínuament convertit energia potencial en energia cinètica, que es pot convertir en electricitat fent servir un generador. Tipus d’instal·lacions:• Preses i reserves: Reserves naturals o artificials son emprades per assegurar un subministrament constant d’aigua.• Aigua corrent: S’ubiquen en rius i depenen de la pluja però són més barats ja que no necessiten una presa.• Central d’energia de bombeig reversible: Quan la demanda energètica és baixa i barata, l’aigua es bombeja de baix a dalt. Quan la demanda és alta, l’aigua circula a través de les turbines. Regulen en funció de la oferta y la demanda.
Parts d’una central hidroelèctrica: Sistema de canonades pressuritzades: Un canal que condueix l’aigua fins la turbina. El disseny incrementa l’energia a la que l’aigua arriba la turbina. Turbina y Generador  y un Canal de sortida.En una central és usual instal·lar diverses turbines en paral·lel per tenir més eficiència.Hi ha 3 tipus de turbines:• Turbina Pelton: Les més antigues, es fan servir amb baix caudal però molta alçada. L’aigua entra i surt perpendicular a l’eix. Les més barates, generen poc.• Turbina Francis: Es mouen per diferència de pressió. Entra radialment i surt axialment. Té bona eficiència i flexibilitat.• Turbina Kaplan:  Similar a la Francis però amb les pales inclinables per aconseguir una major potència. Es poden utilitzar amb alçades més petites.Problema mediambiental: Construir la presa has de tallar el riu i afectes a l’ecosistema. Inundes una zona i perds la seva activitat. Depèn de la pluja. Cost inicial alt i llargAvantatges: No té emissions. Alta eficiència. Pots emmagatzemar. És versàtil. El seu manteniment i operació té un cost baix. Duren molts any.Millores a llarg termini: Turbines matrix: Poques unitats però que si es posen moltes donin molta energia, ENERGY HARVESTING, s’evita construir preses. Es volen posar turbines que siguin fish friendly, per evitar matar peixos i que entri més oxigen.

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1) En relación con el consumo mundial, ¿cuál de las siguientes fuentes de E primaria es la más significativa?
b) Petróleo
2) Con respecto al Gas Natural, ¿cuál de las siguientes afirmaciones no es correcta?
b) La gasolina se licua. (Falso, se licua el GN)
3) En referencia a la situación energética española se puede afirmar que:
a) Producción de carbón y uso de petróleo en aumento
b) Carbón nacional es suficiente para cubrir la demanda
c) La importación de petróleo ha disminuido en los últimos años
d) Todas las anteriores son falsas
4) La mayor parte de la energía eléctrica producida en España proviene de:
a) Hidroeléctrica y renovables
5) Con respecto a la Energía Solar Térmica cuál de las siguientes afirmaciones es correcta?
c) Los captadores de concentración solamente utilizan radiación directa. (Reflectores que concentran los rayos solares en un punto)
6) Turbinas Pelton
a) Se utilizan para saltos inferiores a 20 m
b) Se utilizan en centrales de agua fluyente
c) Pueden funcionar con bombas centrales reversibles
d) Turbinas impulsión que se utilizan para pequeños caudales
7) Qué magnitudes relaciona el COP en una planta de cogeneración?
a) La potencia térmica útil con la disminución de potencia eléctrica producida. (Compara la potencia útil de la bomba de calor para refrigerar o calentar, con la energía eléctrica suministrada al compresor)
b) La potencia eléctrica bruta con la potencia térmica bruta
c) la potencia eléctrica neta con la disminución de potencia eléctrica producida
d) la potencia térmica útil con la disminución de potencia térmica total

8) Respecto a la pirolisis de la biomasa
a) Es una tecnología muy moderna
b) Se obtienen mejores resultados con biomasa húmeda, tal como fangos de depuradora o purines de cerdo.
c) A altas Tª maximiza la formación de gases no condensables. (Se forma CO y NO que son gases no condensables)
d) Rinde biogás una mezcla de gases con contenido de metano con rendimientos del 70%
9) La energía geotérmica
a) Tiene poco impacto medioambiental. (Pocas emisiones, cero residuos, huella de las instalaciones en la superficie es pequeña. Problemas: ruido, riesgos sísmicos)
10) De la energía se puede afirmar que
Da una idea del trabajo máximo útil que un proceso puede realizar a unas condiciones de P y T.

11) En el desarrollo de los reactores de fisión, los parámetros clave son:
a) Diámetro de las varillas de combustible, calor residual fisión, tiempo de residencia
b) Temperatura del reactor
c) Densidad del combustible del interior
d) Tiempo de confinamiento
12) El litio es uno de los mejores elementos que pueden usarse en batería debido a:
a) Alto calor específico (capacidad calorífica) y buen potencial eléctrico
b) Alta densidad energética (W·h/kg)
c) Alta potencia
d) Alta vida útil
13) El hidrógeno se puede obtener por:
Electrólisis del agua
Reforming de hidrocarburos
Oxidación parcial de Hidrocarburos
Procedimientos biológicos