ENERGÍA EÓLICA CURSO SENER INTRODUCCIÓN A LAS ENERGÍAS RENOVABLES

1. ENERGÍA EÓLICA CURSO SENER INTRODUCCIÓN A LAS ENERGÍAS RENOVABLES Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México ojs@cie.unam.mx 17 sep 2012

2. Sistemas híbridos eólicos de micro, mediana y gran escala.

3. Sistemas híbridos de energía hidroeléctrica y energía eólica Se presentan algunos conceptos útiles para ayudar a entender los diferentes factores que intervienen en el acoplamiento de sistemas hídricos y eólicos como sistemas energéticos complementarios. Se describen sistemas de energía eólica e hidráulica con el objetivo de mantener un equilibrio entre generación y carga en todo momento y la energía de suministro cuando el consumidor lo necesita. La mayoría de los sistemas documentados o propuestas están destinadas a funcionar a niveles de alta potencia, y funcionan como conexión en red, o como sistemas independiente. .

4. Sistemas de bombeo de agua Los sistemas de bombeo de agua son un tipo especial de aplicación. Estos sistemas usan la energía eólica como fuente de manera directa para operar una bomba de agua o bien para generar electricidad e impulsar una bomba eléctrica.

5. Inicio del uso de la energía hidráulica para la obtención de potencia mecánica

7. Los sistemas de bombeo de agua se puede aplicar sobre una vasta área. Debido a la gran cantidad de agua necesaria para el riego, la energía eólica es raramente utilizada de manera directa para accionar las bombas de manera mecánica. Es común que las turbinas de viento más grande y más eficientes sea plicadas para generar suficiente electricidad para uso en proyectos de riego .

8. Hay actualmente tres tipos de sistemas para bombeo de agua eólico: dos utilizan potencia mecánica para bombeo de agua, mientras que el tercer convierte la energía eólica en energía eléctrica: • Mecánica (bomba de pistón). Este sistema convierte la energía eólica rotatorio en movimiento vertical, con una varilla y una bomba de pistón para levantar el agua. • Mecánica (bomba de aire comprimido). Este sistema utiliza la energía eólica para cargar un compresor y ese aire se bombea para sacar el agua. • Bomba eléctrica. En el sistema de bombeo eléctrico la energía eléctrica generada es directamente proporcionada a la bomba de agua, o a un sistema de almacenamiento de respaldo como baterías.

10. El diseño del sistema depende de las necesidades de energía específica y si es necesario por ejemplo un sistema de almacenamiento de respaldo con baterías. Sistemas híbridos de eólicos-fotovoltaico son considerados cuando el recurso eólico no está disponible durante algunos meses del año (es decir, durante el verano cuando aumenta la demanda de agua). Nuevos sistemas de bombeo helicoidales pueden ser propulsados por energía solar-PV o energía eólica y respaldados por un sistema de diesel o baterías. Una bomba helicoidal (una bomba de desplazamiento positivo) debe proporcionar mayores tasas de flujo a profundidades de bombeo más profundas con requisitos de energía más bajos que una bomba centrífuga (una bomba de alto volumen).

14. Muchos diseñadores de bombas de agua han adoptado el enfoque del uso de bombas de desplazamiento positivo, que traen agua a una cámara y, a continuación, la fuerzan usando un pistón o tornillo helicoidal. Esto hace un bombeo lento para la bomba en comparación con otros tipos de bombas, pero tienen un buen rendimiento en condiciones de baja potencia y pueden lograr alta elevación. Tanto bombas sumergible como bombas de superficies están disponibles. Bombas de superficies son menos costosos que las bombas sumergibles, pero no están bien adaptados para la succión y sólo se puede sacar el agua desde unos seis metros verticales. Bombas de superficies son excelentes para empujar el agua largas distancias. En algunos casos, ambos tipos de bomba están empleados en el mismo sistema, cuando la cabezal de la bomba es superior a 6 metros y el agua es bombeada a largas distancias.

15. En todo el mundo, muchos países como India, China, Australia, Grecia y Egipto, están llevando a cabo programas de bombeo de agua mediante el uso de energía eólica. Los Estados Unidos llevó a cabo uno de los programas más importantes en esta área. En septiembre de 2004, R. Nolan Clark y Brian D. Vick del servicio de investigación agrícola de la USDA, inició un proyecto de investigación denominado “Remote Water Pumping and Electric Power Generation with Renewable Energy” Uno de los principales objetivos del proyecto era desarrollar y evaluar un sistema autónomo de agua, propulsado por energía eólica, para sistemas de agua de riego, ganadería y consumo en una granja.

16. Micro hidrogeneración eléctrica

25. Integración de micro, mini y pequeños sistemas hidráulicos (independientes) Los sistemas micro, mini o pequeños hidráulicos pueden producir suficiente electricidad para un hogar, granja, rancho o pueblo. Sistemas de micro y mini-hidroeléctrica son fuentes de potencia relativamente pequeñas que son apropiados en la mayoría de los casos para usuarios individuales o para grupos de usuarios que son independientes del suministro de electricidad de la red.

26. Turgo Wheel Cross-flow turbine

27. Propeller turbine Francis turbine Kaplan Turbine

32. La necesidad de acoplar sistemas eólicos y de hidroelectricidad A menudo el tamaño de una instalación de suministro eléctrico hidráulica o de viento no es, por sí mismo, bastante para satisfacer demandas de electricidad a través del año, o por razones económicas es posible considerar crear un sistema híbrido que conjunta ambas tecnología. Si otra fuente de producción eléctrica está presente, esa fuente puede convertirse en un complemento de la energía del sistema híbrido. Incluso en caso de que el tamaño de la central está correcto, es posible que exista un déficit para satisfacer la demanda estimada (i.e. largo periodo de sequía o de disminución del viento por largos periodos). Por supuesto, el suministro de energía debe ser asegurado y es por lo tanto recomendable tener un sistema de generación que permita que la seguridad adicional haga frente a estas situaciones. Para asegurar un estado aceptable de la carga de baterías, y una extensión de su vida, una fuente de energía convencional se considera a menudo como sistema auxiliar. La energía eólica, como la energía hidráulica, es un producto indirecto de la energía solar; por lo tanto, ambos varían extensamente con el año, generalmente, en el hemisferio norte, teniendo elevados valores durante los meses de invierno y los valores bajos durante los meses del verano. Esta es la razón por la cual los apremios estacionales son importantes; el agua disponible se puede almacenar durante el invierno, que es perfectamente complementario a las energías eólicas que tienen su disponibilidad mínima en verano.

33. Los sistemas micro y mini de hidroelectricidad no necesitan estar situados cerca de un río caudaloso: un pequeño flujo de agua es suficiente, a condición de que haya una corriente conveniente o una caída de agua conveniente. Diversas clases de turbina hidráulicas se diseñan para diversas combinaciones de pendiente y flujo: las turbinas hidráulicas más pequeñas funcionan con poca agua y pendientes pronunciadas. Sin embargo, las turbinas de viento necesitan ser particularmente localizadas donde está disponible el recurso del viento y sólo las condiciones del terreno permiten la instalación de la tecnología.

34. El desarrollo de un WHPS con el fin de suministrar electricidad depende de la escala de la central. WHPSs grandes y medianas pueden ser colocados en diferentes regiones de un país y son operados en combinación para complementarse mutuamente y proporcionar estabilidad a la red eléctrica. La energía eólica es no-despachable, lo que significa que, para la operación económica, toda la salida disponible deben utilizarse cuando está disponibles. Pequeño, mini y micro WHPSs son comúnmente establecidos en las regiones donde el viento y recursos hidráulicos están disponibles. Están diseñados para suministrar energía a la región local y en muchos casos son sistemas independientes.

35. Sistemas de generación de potencia WHPS medianos y grandes

36. Se ha propuesto sistemas WHPSs medianos y grandes como fuente de alimentación de potencia firme o constante.El sistema híbrido constantemente combina la energía eólica y energía hidroeléctrica en tiempo real en el fin de garantizar la potencia constante. Como ya se ha dicho, la energía eólica se está sujeta a fluctuaciones a corto plazo y la energía hidroeléctrica se utiliza para compensar estas variaciones. Esto indica que la planta de energía hidroeléctrica en cualquier WHPS debe ser capaz de aumentar o disminuir la producción muy rápidamente en el fin de obtener energía constante.

44. Almacenamiento mediante bombeo de agua. Un sistema de almacenamiento de agua para generación hidroeléctrica tiene dos o más depósitos a diferentes alturas. En la demanda de electricidad baja de los consumidores la potencia disponible excesiva se utiliza para bombear agua desde el embalse inferior a la superior. Cuando aumenta la demanda, se libera la energía potencial almacenada en el embalse superior. El agua es liberada de la reserva superior de una manera controlada, pasando por las turbinas para generar electricidad.

46. La utilización de los sistemas de almacenamiento por bombeo, se considera a menudo como una solución prometedora para el almacenamiento de energía . Los posibles beneficios incluyen: una mayor penetración en l uso de la energía eólica, suavizar las variaciones de la energía eólica y proporcionar un grado de “despachabilidad" del sistema híbrido hidro-eoloeléctrico, garantizando una capacidad de generación por un tiempo determinado.

47. Cuando aumenta el tamaño del sistema de potencia más allá de unos 100 kWs, el almacenamiento en baterías, volantas y otros medios similares puede ser técnica y económicamente inviable, y resulta el sistema de bombeo como la única solución posible. El concepto fundamental de funcionamiento de los sistemas híbridos hidro-eoloeléctricos es bastante simple: Cuando la energía eólica disponible presenta superávit este excedente de energía eólica se emplea para el bombeo de agua, y la energía se almacena en el embalse superior. Esta energía se recupera posteriormente, cuando la capacidad de generación eólica se encuentra en déficit respecto al la carga por ejemplo en las horas pico de carga. La energía potencial del embalse superior se transforma en energía cinética por el desfogue de agua y esta última es aprovechada por la turbina hidroeléctrica para generar electricidad.

49. Tecnologías de aire comprimido para almacenamiento energético para sistemas eólicos La electricidad generada por viento se puede transformar económicamente de un recurso intermitente a una fuente de alimentación totalmente controlable con sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES). La electricidad a partir de un sistema eólico-CAES puede ser transmitida a ciudades distantes con líneas de alta tensión de transmisión y es plenamente competitivo, técnica y económicamente, con la electricidad de los generadores de combustible nuclear o fósil. Algunos análisis indican que la sociedad industrial moderna, podría alimentarse de la energía casi exclusivamente a partir de los recursos intermitentes eólico y solar eliminando casi por completo los combustibles fósiles o la generación nuclear de electricidad. Sin embargo, la elaboración de políticas que faciliten el despliegue de la energía eólica-CAES y sistemas de transmisión sigue siendo un reto formidable.

50. Las turbinas de viento ahora ofrecen el menor costo de energía eléctrica renovable. La integración de un gran número de turbinas eólicas con sistemas de energía de aire comprimido de almacenamiento (CAES) transforma la energía eólica intermitente en una fuente de energía totalmente controlable y puede proporcionar la energía de la escala y de la calidad requerida por una sociedad industrial moderna. Con base en los costos conocidos y las características técnicas de las turbinas eólicas actuales, CAES, y las tecnologías de transmisión, todo parece indicar que esta electricidad será a la vez accesible y técnicamente aceptable. Por ahora la electricidad procedente de fuentes renovables no puede competir con los combustibles fósiles de bajo costo. Sin embargo es importante tomar en cuenta que es una energía limpia, a un precio razonable para los sectores industrial, comercial y privado así como reduce la dependencia energética al reducir las importaciones de petróleo y diversifica la utilización de las fuentes de energía locales.