Unitat 3. Energies alternatives

Energies alternatives

• Les energies alternatives o renovables provenend’aquelles fonts d’energia que es renoven demanera continuada. Encara s’utilitza poc ja queel seu aprofitament representa un cost econòmicelevat i són necessàries grans inversions perdesenvolupar les tecnologies adients.

• Interessa utilitzar-les per:

Disminuir la gran dependència dels combustiblesfòssils en la producció d’energia primària.

Reduir els impactes sobre el medi natural quecomporta la producció d’energia primària.

Beneficis de la seva utilització:

• Reducció de les emissions de CO2

• Diversificació de les fonts d’energia pròpies ireducció de les importacions energètiques.

• Creació de llocs de treball.

• Protecció de l’entorn natural.

• Beneficis socials derivats de l’electrificació denuclis aïllats i de la disponibilitat de fontsd’energia noves en el medi rural.

• Suport a centres de recerca, laboratorisd’investigació i centres universitaris.

• Afavorir el reequilibri territorial.

Centrals solars

• La radiació solar és una font d’energianeta, gratuïta, inesgotable i disponible tots els diesde l’any, amb les limitacions que imposen lesestacions de l’any, l’hora del dia, les condicionsatmosfèriques del moment i la situació geogràfica.

• Principals inconvenients:

La radiació arriba de manera dispersa i inconstant ala superfície terrestre.

S’ha de transformar, en el moment que arriba, enenergia tèrmica o elèctrica, ja que no es disposa decap sistema d’emmagatzematge eficaç.

Per utilitzar-la a gran escala són necessarissistemes de captació de gransuperfície, perquè té una densitat energèticabaixa, d’1 kW/m2 com a màxim.

És necessària una inversió inicial elevada, jaque els sistemes de captació encara sónrelativament cars.

Sistemes d’aprofitament

• Hi ha dos sistemes d’aprofitament: la via tèrmicaque consisteix en la transformació de la radiaciósolar en energia tèrmica i la conversiófotovoltaica, en què la radiació es transformadirectament en energia elèctrica.

Centrals termosolars

• La radiació solar es concentra sobre un fluid i estransforma en energia tèrmica; el fluid escalfat, enpassar per un intercanviador, produeix el vapor queacciona un grup turboalternador, en el qual s’obtéenergia elèctrica.

Centrals amb col·lectors distribuïts. Utilitzencol·lector de concentració que en una superfície moltpetita concentren la radiació solar i s’obtenentemperatures de fins a 300º C. El seu inconvenient ésque només aprofiten la radiació directa i no sónapropiats per les zones nuvoloses. Cal que disposind’un sistema de seguiment del sol.

Centrals solars de torre central. El sistema decaptació està format per una gran superfíciecoberta d’heliòstats, que concentra la radiaciósolar en un receptor instal·lat a l’extremsuperior d’una torre.

Conversió fotovoltaica• Consisteix a transformar la radiació solar

directament en energia elèctrica, mitjançantcaptadors formats per cèl·lules solars ofotovoltaiques.

• Les cèl·lules fotovoltaiques estan constituïdes peruna làmina de materialsemiconductor, normalment silici, que té lapropietat de produir electricitat quan hiincideixen els fotons de les radiacions.

• El rendiment de la transformació és molt baixigual que la tensió obtinguda que és d’uns 0,58 V.Per aconseguir una tensió més adient esconnecten diferents cèl·lules en sèrie(normalment 36) per obtenir una tensió de 18 V.

Aplicacions

• Instal·lacions aïllades de la xarxa elèctrica comercial:electrificacions rurals, aplicacions agrícoles,senyalització i comunicacions.

• Instal·lacions connectades a la xarxa elèctrica:centrals fotovoltaiques i sistemes integrats enedificis.

Centrals eòliques

• Per a l’aprofitament de l’energia eòlica s’utilitzen lesaeroturbines o molins de vent. Extreuen part del’energia cinètica del vent mitjançant un sistema decaptació, que acostuma a estar format per pales quegiren solidàries a un eix, mitjançant el qual obtenimenergia mecànica.

Tipus d’aeroturbines

• Aeromotors: utilitzen directament l’energia mecànicaobtinguda a l’eix. Són màquines lentes, caracteritzades per unrotor format per nombroses pales. El seu rendiment ésbastant baix. Requereixen una velocitat de vent de 2 m/s percomençar a funcionar i obtenen la màxima potència quan lavelocitat del vent és de 5 o 6 m/s. S’utilitzen bàsicament per albombament de l’aigua dels pous.

• Aerogeneradors: Transformen l’energia mecànica en energiaelèctrica. Són màquines ràpides. Els rotors es caracteritzenper tenir poques pales, 2 o 3, de diàmetres molt variables enfunció de la potència, amb la qual cosa s’obtenen rendimentsmolt més elevats que en els aeromotors. Però es necessitenvelocitats de vent més elevades per al seufuncionament, entre 4 i 5 m/s, i aconsegueixen la potènciamàxima amb velocitats superiors, entre 10 i 14 m/s, en funciódel disseny.

Parts d’una aeroturbina• El rotor o turbina és el que transforma l’energia

del vent en energia mecànica. Està format per lespales unides a un eix.

• El sistema d’orientació té la funció de col·locar elrotor perpendicular a la direcció del vent, perquèes pugui aprofitar al màxim la seva energia.

• El sistema de regulació té la funció de disminuir lavelocitat d’engegada, mantenir la potència i lavelocitat del rotor i aturar-lo quan el ventsobrepassi una velocitat determinada.

• El convertidor energètic és la part mecànicadestinada a transmetre o transformar l’energiamecànica obtinguda a l’eix del rotor.

• La bancada és l’element estructural que, juntamentamb la carcassa, suporta i protegeix el convertidorenergètic i els sistemes de regulació i orientació.

• El suport o torre és el suport de tot l’equip, té lafunció d’elevar el rotor per millorar la captació iabsorbir les vibracions que es produeixen.

• Velocitat d’engegada: de 2 a 4 m/s. El rotorcomença a girar.

• Velocitat de connexió: de 4 a 5 m/s. Esconnecta a la xarxa elèctrica.

• Velocitat de disseny: s’obté el màximrendiment.

• Velocitat de parada o desconnexió: de 18 a 30m/s.

Parcs eòlics• Són les instal·lacions que aprofiten l’energia elèctrica

obtinguda amb aerogeneradors.• Es classifiquen en: Instal·lacions no connectades a la xarxa comercial:

utilitzades en electrificacions rurals, aplicacionsagrícoles, senyalització i comunicacions.

Instal·lacions connectades a la xarxa elèctrica com asuport de l’energia consumida a la xarxa. Tenen lafinalitat de disminuir les despeses energètiques.

Instal·lacions connectades a la xarxa elèctrica com acentral generadora d’energia elèctrica. Tenen lafinalitat de subministrar-hi energia.

La potència de les centrals eòliques, normalment, éssuperior a 1 MW.

Centrals geotèrmiques

• S’entén per energia geotèrmica aquella partde l’energia de la Terra que es manifesta enforma de calor. La temperatura augmenta uns3º C cada 100 m de profunditat.

• La calor, generalment, es transmet perconducció fins a la superfície de la Terra, peròa causa de la baixa conductivitat de les roquesque formen l’escorça terrestre, una gran partd’aquesta energia resta emmagatzemada alseu interior.

• Les condicions geològiques que determinenl’existència d’un jaciment geotèrmic són:

Presència a profunditat adient, entre 1000 i2000 m, de roques poroses i permeables quepermetin l’acumulació i circulació de fluids.

Un flux de calor normal o anormal que escalfil’aqüífer.

Existència d’una capa impermeable, perexemple argila, que actuï de cobertor, demanera que s’eviti la dissipació contínua delsistema termal aigua-roca.

• En determinats casos el flux energètic, en formad’aigua calenta o vapor d’aigua, flueix de maneranatural a l’exterior. En uns altres casos s’ha deperforar l’escorça terrestre fins a arribar al jacimentper poder extreure l’energia tèrmica acumulada.

• L’inconvenient principal de les centrals geotèrmiquesés la vida curta de les instal·lacions, uns 40 anys, acausa de la corrosió que provoca el vapor d’aiguasense tractar, si bé aquest problema es compensaamb la rapidesa de la posada a punt d’unacentral, que és d’uns dos anys. Un altre inconvenientés la possible obstrucció de les canonades.

Centrals mareomotrius

• Les marees són un moviment cíclic alternatiud’ascens i descens del nivell de l’aigua del mar,producte de l’acció gravitatòria de la Lluna i el Sol.

• L’aprofitament del flux de l’aigua per a lageneració d’energia elèctrica requereix disposard’emplaçaments on l’amplitud de les marees(diferència d’altura entre el nivell màxim i elmínim) sigui gran, més de 5 m, juntament ambcaracterístiques geogràfiques adequades per acrear grans embassaments.

• S’hi construeix un dic per retenir les aigües, iquan baixa la marea, s’obren les comportesaprofitant l’energia potencial de l’aigua peraccionar diferents grups turboalternadors.

Inconvenients

• Gran despesa econòmica.

• Funcionament discontinu i de càrrega hidràulicavariada.

• Màxima producció a la nit quan la demanda ésmínima.

L’energia de les ones

• Amb les ones no se’n pot preveure la freqüència, queés totalment aleatòria, entre 3 i 30 cicles per minut;això suposa una dificultat important per al seuaprofitament energètic. El disseny ha de ser capaç derespondre a ones de totes les dimensions i resistir elstemporals amb garanties de seguretat.

L’energia tèrmica dels oceans

• La diferència de temperatura entre les capes superficials i lesprofundes dels oceans (gradient tèrmic) es pot aprofitar perdesencadenar un cicle termodinàmic i obtenir energiaelèctrica.

• El problema principal d’aquestes instal·lacions és el seurendiment baix, donada la poca diferència de temperaturesentre el focus calent i el fred i l’energia necessària perbombejar l’aigua freda de les profunditats.

La biomassa• Es considera biomassa la matèria orgànica d’origen vegetal o

animal, obtinguda de manera natural o procedent de les sevestransformacions artificials, susceptible de ser utilitzada ambfinalitats energètiques.

• Els processos a què se sotmet la biomassa per a la sevatransformació en combustible s’agrupen en tres apartats:

• Processos físics: Estan destinats a preparar labiomassa per a l’ús directe com a combustible oper a processos bioquímics o termoquímicsposteriors. Els més importants són:

Homogeneïtzació o refinament. Adequar labiomassa a unes condicions de granulometria,humitat o composició per mitjà de la trituració,l’assecatge, etc.

Densificació. Millora de les propietats de labiomassa amb la fabricació de pèl·lets peraconseguir un pes específic més alt i millorar lesseves possibilitats d’emmagatzematge i transport.

• Processos termoquímics. La biomassa sesotmet a diverses transformacions endeterminades condicions de pressió itemperatura, per obtenir combustiblessòlids, líquids i gasosos.

La piròlisi o destil·lació seca. Mètodetradicional per obtenir carbó vegetal.

Gasificació. De la combustió incompleta de labiomassa en presència de l’oxigen de l’aires’obté un gas pobre.

• Processos bioquímics. La biomassa se sotmet aprocessos de fermentació seguint dos procediments:

Digestió anaeròbica: utilitzat per obtenir biogàs.

Fermentació aeròbica o alcohòlica: s’utilitza per al’obtenció de bioalcohol.

Producció d’energia elèctrica

• Combustió de la biomassa en una calderaadequada a la producció de vapor que accionaun grup turboalternador.

• Transformació de la biomassa en combustiblesgasosos mitjançant procediments bioquímicso termoquímics, que generalment s’utilitzenper alimentar motors alternatius o turbines degas que accionen el seu corresponentalternador.

Biocombustibles• Són un conjunt de combustibles líquids, que

s’obtenen a partir de diferents transformacions de labiomassa, destinats a substituir els combustiblesd’origen fòssil. N’hi ha dos grups:

Biodièsel. S’obté a partir d’olis vegetals deprocedència diferent, ja siguin purs o usats, com elsolis utilitzats per cuinar.

Bioalcohols. Són el metanol (en desús) i l’etanol. Lesaplicacions de l’etanol en el camp delsbiocombustibles són:

1. Com a combustible sol o barrejat amb altrescarburants d’origen fòssil.

2. Com a additiu per a gasolines sense plom.

L’aprofitament dels residus sòlids urbans (RSU)

• Els RSU són els generats per l’activitat domèsticaen els nuclis de població. Els procedimentsactuals per eliminar-los són:

1. Abocament. S’emmagatzemen els residus sobreel terreny i es cobreixen amb terra. Requereixengrans superfícies de terreny i l’emissió de gasos iels riscos de contaminació d’aqüífers sónelevats.

2. Compostatge. Consisteix en separar la matèriaorgànica de la resta de residus i el seutractament posterior per obtenir compost, unproducte apte per aplicacions com aral’agricultura, la jardineria, etc.

3. Reciclatge. Es basa en separar les fraccionsdels RSU, que poden ser incorporades alsprocessos de producció i consum.

4. Incineració. Consisteix en eliminar els residusmitjançant un procés de combustió itractament dels gasos resultants.

Des del punt de vista mediambiental, la millorestratègia de gestió i eliminació de residusconsisteix a combinar els processos derecollida selectiva amb el reciclatge i elcompostatge, i a limitar les opcionsd’incineració i d’abocament per als rebuigsresiduals dels processos anteriors.