CEPAL Curso MARNE Fuentes “Alternativas” de Energía Contenido Energía: conceptos, recursos y...

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Fuentes Fuentes ““alternativasalternativas””de energde energííaa

L. A. Horta NogueiraUNIFEI (Brasil) y CEPAL

CEPAL Curso MARNEMayo de 2009

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Fuentes “Alternativas” de EnergíaContenido

Energía: conceptos, recursos y fuentesEnergía solarEnergía eólicaPequeñas centrales HidroelectricasBioenergías (a parte)

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ENERGÍA : Conceptos

Definiciones de energía...

“ energía es lo que permite un cambio en la configuración de un sistema, en oposición a una fuerza que resiste a eso cambio.”

Maxwell, 1872

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Energía es la capacidad de promover cambios

Sin energía no hay cualquier actividad, energía es vida, es evolución.

El consumo de energía es que hace que el tiempo avanze.

ENERGÍA : Conceptos

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Las varias caras de la energía

– energía nuclear e atómica– energía eléctrica– energía química– energía térmica (energía interna e radiación)– energía mecánica (potencial e cinética)– otras...

ENERGÍA : Fuentes y formas energéticas

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Valores de la energía asociada a sistemas reales (J)

Energía total emitida por el Sol durante 24 horasRadiación solar recibida por la Tierra durante 24 horasEnergía química en los recursos globales de carbón mineralEnergía química en la cobertura vegetal terrestreEnergía química fijada en un ano en la vegetación terrestreEnergía térmica e mecánica en un huracán típicoEnergía eléctrica total anual en descargas atmosféricas Una buena cosecha en un hectárea de maíz (8 ton)Consumo anual de gasolina de un coche compactoEnergía química en un barril de petróleoEnergía química en la alimentación diaria de un hombre adultoEnergía química en una botella de vino blancoEnergía cinética en una pelota de tenis servida a 25 m/s

3,0 x 1032

5,5 x 1024

2,0 x 1023

2,0 x 1022

2,0 x 1021

3,8 x 1019

3,2 x 1018

1,2 x 1011

4,0 x 1010

6,5 x 109

1,0 x 107

2,6 x 106

1,5 x 101

Fuente: Smil, 2004


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Conversiones energéticas posibles

Energiade Radiação

EnergiaElétrica

EnergiaMecânica

EnergiaTérmica

EnergiaQuímica

EnergiaNuclear

Bateria/Célula de Combustível

MúsculoTubo catódico, lâmpada fluorescente

Atrito

Máquina Térmica Dínamo, Alternador

Resistência

Reator NuclearTermopilha

Motor Elétrico

Coletor SolarIncandescência

A i

Célula Fotovoltáica

Eletrólise

Reação Exotérmica, Combustão

Reação Endotérmica

Fotossíntese

Quimioluminescência


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Las conversiones energéticas se rigen por dos sencillas leyes físicas...

– ConservaciónEn los procesos de conversión,Energía no se crea, Energía no se destruye...

– DegradaciónLos procesos de conversión energéticason parcialmente irreversibles...

ENERGíA : Leyes básicas

9Fuente: Fratzscher, 2000

ENERGÍA : Flujos energéticos en nuestro planeta

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ENERGíA : RenovabilidadRenovabilidad: corresponde a la posibilidad física de reposición, mediante procesos naturales y en escalas de tempo humanas, de las reservas asociadas a una fuente energética.

Las energías renovables comprenden las energías primarias basadas en la radiación solar incidente sobre la Tierra (energía hidráulica, eólica, solar, bioenergías, de las ondas, etc.) e otras energías renovables “no solares”, como la energía geotérmica y de las mareas.

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Las energías no renovables incluyen las energías de estoque o fósiles, como petróleo, gas natural y los materiales de interés para reaccione atómicas o nucleares.

Las energías renovables pueden ser utilizadas esencialmente para: - producción de electricidad en sist. interconectados- producción de electricidad para sistemas aislados- producción de biocombustibles

ENERGÍA : Renovabilidad

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Los sistemas energéticos sostenibles deben “satisfacer las necesidades de las actuales generaciones sin comprometer las futuras, atendiendo al equilibrio social e ecológico bien como las necesidades de los mas pobres” (Comisión Brundtland, 1980)

Determinar la sostenibilidad de un sistema energético no es una tarea simples y depende no apenas do vector energético, mas fundamentalmente do contexto de su producción y utilización.

Es posible identificar la renovabilidad como un atributo de la fuente energética e la sostenibilidad como un atributo de la cadena energética de los vectores energéticos.

ENERGÍA : Sostenibilidad

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La renovabilidad es una las condiciones de la sostenibilidad, necesaria pero no suficiente. Una definición tentativa podría ser:

Sostenibilidad: posibilidad de los sistemas energéticos operaren estables y productivos, con impactos ambientales aceptables, sin consumir las reservas naturales, en un marco de factibilidad económica y aceptabilidad social.


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Preliminarmente y siempre recordando la importancia de los contextos de producción y uso, se puede decir que: Energías solar, eólica, geotérmica: en principio son renovables y sostenibles, debiendo la sostenibilidad ser evaluada localmente. Energía hidroeléctrica: potencialmente renovable y sostenible, mereciendo las centrales de gran capacidad evaluar con cuidado su real sostenibilidad.Bioenergías: los biocombustibles, pueden ser considerados renovables cuando el carbono emitido en su combustión es mayormente reabsorbido en el proceso fotosintético de producción de la materia prima. La sostenibilidad depende de cada caso.


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ENERGÍAS RENOVABLES: Perspectivas

La transición (o el retorno...) para las fuentes renovables de energía ocurre de manera diferenciada, dependiendo de la disponibilidad de recursos, de las necesidades y de la evolución tecnológica.

Fuente: Shell, 1998

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Potencial global (EJ/ano)

ENERGÍAS RENOVABLES: Perspectivas

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Consumo mundial de energía em 2006

Radiación solar absorbida por la Tierra en un año

Reservas de carbón

Reservas de gas natural

Reservas de petróleo

Reservas de uranio

Fuente: Sauer, 2008, elaborado com dados de:BP Statistical Review 2005

Energia Solar - Wolfgang PalzAgência Internacional de Energia Atômica (*) estimativa

ENERGIAS RENOVABLES: Recursos globales

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ENERGÍAS RENOVABLES: curva de aprendizaje

1990

2000

1981

1985PV

(1981-2000)PR = 77%

1995

1985

2000

1981 1990

Eólica(1985-2000)PR= 88%

1981

1989

1995CCGT

(1989-1995)PR = 81%

2000

19851980

2002

Etanol (1980-1985)PR = 93% 1990

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1000000

Capacidade instalada acumulada (PV, Eólica, CCGT)

US$

/kW

(PV,

Eól

ica,

Tur

bina

s a

gás

cicl

o co

mbi

nado

)

Preço pago aos produtores de etanol (Out.2002) U

S$/m3

10

1 100 1000

10000 100000 1000000

1

10

100

1000

Etanol (1985-2002)PR = 71%

Eólica(1981-1985)PR = 99%

CCGT(1981-1989)PR 104%

Fuente: Moreira, 2004

Volume acumulado de etanol produzido (mil m3)

19Fuente: UNDP, 2007

Las inversiones se han incrementado de forma relevante en los últimos años.

Es diversificada la origen de los capitales, con cresciente utilización de mecanismos financieros sofisticados (venture capital, private equity and public market)

ENERGÍAS RENOVABLES: inversiones globales

20Fuente: UNDP, 2007

La energía eólica, los biocombustibles y la energía solar respondieran por 80% de las inversiones observadas en 2006.

La parte más relevante de las inversiones identificadas ocurrieran en los países desarrollados. Sin embargo, en los últimos años China y Índia empezan a se destacar.

ENERGÍAS RENOVABLES: inversiones globales

21Fuente: Goldemberg, 2006

ENERGÍAS RENOVABLES: el caso brasileño

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Brasil: expansión prevista para la generación eléctrica con energia renovable hasta 2030

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Energia SolarContenido

Radiación solarTecnologías térmicasTecnologías fotovoltaicas

24Espectro Solar

Energía SolarRadiación Solar

Intensidad: plano de la órbita: 1370 W/m2

superficie terrestre (máxima): ~1200 W/m2

superficie terrestre: (promédio): 240 W/m2

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Radiación SolarMedición y componentes de la radiación

Piranômetros miden la radiación global

Radiación directa y indirecta

Fuente: CRESESB, 2005

Energía Solar

27Fuente: INMET/LABSOLAR, Brasília, 2004

Energía SolarRadiación Solar

Disponibilidad de energía solar

Amount of solar energy KWh/day on an optimally tilted surface year.

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Energía SolarTecnologías térmicas

Sistemas de calentamiento de aguaEspecialmente en las regiones de clima adecuado, con periodos fríos con alta radiación, esos colectores permiten reducir de manera importante la demanda de combustibles y/o electricidad para calentar agua en residencias.

Sistemas con coletores solares para calentamiento de agua

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Energía SolarTecnologías térmicas

Sistemas solares térmicosEjemplos de aplicación

Sistemas com coletor solar para aquecimento de água

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Tecnologías térmicasCentrales eléctricas solares

Todavía en desarrollo, estas tecnologías podrán cumplir un importante rol en el suministro de energía a largo plazo.

CSP Concentrated Solar Power System

Energía Solar

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Tecnologías fotovoltaicaPor el efecto fotovoltaico (Becquerel,1839), la luz absorbida enun semiconductor produce un voltaje entre las haces de eso material. Las células fotovoltaica son producidas utilizando silicio como semiconductor, y pueden ser monocristalinas, policristalinas o amorfas, con diferentes costos y eficiencia.

Energía Solar

Célula monocristalina (15-18% efic.)

Célula policristalina (12% efic.)

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Tecnologías fotovoltaicasSistemas solares fotovoltaicos

Módulos de células fotovoltaicas

Componentes de sistemas fotovoltaicos

Energía Solar

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Tecnologías fotovoltaicas

Aplicaciones de Sistemas Fotovoltaicos

Energía Solar

3535

Evolución de la tecnología fotovoltaicaEn los últimos años ha sido significativa la expansión de la capacidad instalada en sistemas fotovoltaicos, particularmente en los países desarrollados. China, Japón y Alemania son los principales productores

Capacidad instalada global en sistemas fotovoltaicos

(Energy & Capital, 2008)

Producción de células fotovoltaicas(Solarbuzz, 2008)

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Energia EólicaPrograma

O ventoPotencial eólicoMáquinas e centrais eólicas

Energia EólicaOrigem do vento

A energia cinética das massas de ar em circulação é uma forma de energia solar, já que é o aquecimento diferencial do Sol sobre a Terra que dá origem às diferenças de pressão, causa dos ventos locais ou globais.

Padrão de temperaturas dos oceanos

Circulação Atmosférica

zona equatorial de baixas pressões

ar quente ar frio

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Potência do Vento

A energia cinética do vento é elevada.Uma quantidade de ar com 44 m de diâmetro e 1 m de espessura (ao nível do mar e 15º C, sua densidade é 1,25 kg/m3) pesa aproximadamente 1,9 t. Para uma velocidade do vento de 12 m/s a potência de uma turbina eólica nessas condições será cerca de 1,5 MW .

Energia Eólica

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Energia EólicaVento

Potencial eólico:– total : 370 EJ/ano

– aproveitável: 122 TW

Potência de fenômenos naturais tornado típico : 1,7 GW

tempestade : 75 a 600 GW

furacão : 120 a 580 TW

40

Vento

A velocidade do vento varia constantemente em valor absoluto e direção, devendo ser medida com precisão.A média do cubo e o cubo das médias...

Energia Eólica

Comportamento do vento em um sítio off-shore

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VentoAs velocidades médias de interesse situam-se tipicamente acima de 6 m/s, devendo ser considerada uma altura mínima de 20 m para o cubo da hélice.A velocidade do vento é bastante influenciada pelas condições da superfície e se incrementa com a altura logaritmicamente.Em parques eólicos, sugere-se manter um afastamento de 5 diâmetros laterais e 10 diâmetros entre duas fileiras de máquinas.

Energia Eólica

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Velocidade média anualAtlas do Potencial Eólico

Brasileiro, 2001

Potencial eólico no Brasil (1)

Energia Eólica

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Variância da média anualAtlas do Potencial Eólico

Brasileiro, 2001

Energia Eólica

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Energia Eólica

Mapas Eólicos do Rio Grande do Sul (SEMC) e Bahia

Potencial eólico de ALC

Energia Eólica

http://www.geni.org/globalenergy/library/renewable-energy-resources/world/north-america/wind-north-america/indexbig.shtml

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Tipos: eixos horizontais e verticais

Máquinas eólicas

Energia Eólica

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Componentes de uma turbina eólica típica

Máquinas eólicasEnergia Eólica

Multiplicador de uma turbina eólica de 1,5 MW

(ver catálogo Vestas)

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Centrais eólicasCapacidades e custos das turbinas eólicas

Energia Eólica

Para as condições européias os custos de capacidade situam-se ao redor de 1.000 US$/kW, mas no Brasil podem ser até 30% mais elevados. As torres correspondem tipicamente a 20% do preço de uma turbina eólica montada, estimando-se em 10 mil dólares cada 10 metros adicionais de torre.Nas condições usuais de projeto, os fatores de capacidade para as máquinas eólicas ficam entre 20 a 35%.

Relação diâmetro/potência para máquinas eólicas típicas

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121m

80 m

60 m

40 m34 m30 m

50

Máquinas eólicas de grande porte (exemplos)

Energia Eólica

Nordex 2,5 MW, diâmetro de 80 m, torre de 80 m.

Bonus 2 MW, diâmetro de 72 m, torre de 60 m.

NEG Micom 2 MW, diâmetro de 72 m, torre de 68 m.

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Centrais eólicas de grande porte (tendências)

Energia Eólica

1. Incremento da capacidade das turbinas

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Centrais eólicas de grande porte (tendências)Energia Eólica

2. Incremento da capacidade das centrais

Central Eólica de Horns Rev, Dinamarca160 MW (80 x 2 MW, 20 km²) em operação desde 2002

235 MW (95 x 2,3 MW + 15 MW em 3 máq.) em comissionamento operar em 2009

4.000 MW planejados para 2020

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/HornsrevMOELLEDRIFT_250.jpg

Evolução da capacidade instaladaEnergia Eólica

Partindo de níveis praticamente nulos em 1990, a capacidade instalada em geração eólica no mundo ultrapassou 50 GW em apenas 5 anos.

Fonte: Global Wind Energy Council, 2008

Atualmente, 13 países possuem capacidades instaladas

superiores a 1 GW em sistemas de energia eólica.

Evolução da capacidade instaladaEnergia Eólica

A capacidade total instalada em centrais eólicas atingiu 129 GW no final de 2008, correspondendo a 1,5% da produção global de energia elétrica.

Em valores para o final de 2008, os Estados Unidos eram o principal mercado para a energia eólica, com 25,2 GW de capacidade instalada, vindo a Alemanha em seguida, com 23,9 GW instalados.

Estima-se que a capacidade instalada em centrais eólicas atinja pelo menos 2 mil GW em 2020.

Fonte: Global Wind Energy Council, 2009

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Aspectos econômicos

Composição de custos em uma central eólica de 5 MW

Energia Eólica

Influência da velocidade média do vento sobre o custo da energia gerada

(British Wind Energy Association, 2007)

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Aspectos econômicosEnergia Eólica

Evolução do investimento unitário em projetos eólicos (US$/kW) (Base: Mercado Norte-americano - 2006)

Central de São Tomé, PA (Prof. Pinho, UFPA)

Aplicações:Sistemas híbridos eólico-solar-dieselPara os sistemas isolados, uma alternativa pode ser o uso de sistemas que combinem as disponibilidades complementares das diversas formas energéticas.

Sistema híbrido solar-eólico-diesel em localidade isolada da Amazonia (UFPA, Prof. Pinho)

60 Esquema geral de uma Pequena Central

Pequenas Centrais Hidroelétricas

61 Pequena Central Hidrelétrica típica

Componentes de PCH’s

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Potencial Hidroelétrico em ALC

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AplicaçõesMicrocentral Hidrelétrica Boa EsperançaDelfim Moreira - MGLocalizada em propriedade agropecuária dedicada àprodução de truta e turismo rural, situada à 6 km da linha de transmissão, com 25 kW.Dados da instalação:

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A microcentral abastece a sede da propriedade, quatro chalés para turistas, um restaurante e uma serraria.

O sistema está operando a mais de dez anos sem problemas e a manutenção é muito simples. O custo de implantação foi de aproximadamente R$ 15.000,00.

Existem excedentes de energia que poderiam ser comercializados.

Microcentral Hidrelétrica Boa EsperançaDelfim Moreira - MG

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Tomada d’água

Comporta desarenadora

Comporta


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Canal de AduçãoBarragem, T. d’água e Canal de Adução

Vertedor extravaso

r

Grade


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Canal de Adução e Câmara de Carga

Conduto forçado

Conduto

Forçado


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Casa de Máquinas Grupo Gerador

Gerador

Saída do gerador


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Canal de Fuga

Lago


Serraria

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Minicentral Hidrelétrica Bortolan Poços de Caldas – MG

Q[m3/s]

H[m]

Pel

[kW]Turbina Gerador

7 12 715 Tubular S(axial)

Síncrono

Aproveitando um reservatório para uso múltiplo, a usina pertence ao DME - Departamento Municipal de Eletricidade de Poços de Caldas e opera sincronizada à rede. Possui uma turbina de alta eficiência e um conduto forçado de 71,4 m.

Dados da instalação:

71

Reservatório


72

Barragem


73

Condutos Forçados

Válvula dispersora

Futura ampliação


74

Conduto Forçado

Blocos de apoio

Bloco de ancoragem


75

Turbina Tubular S

Grade

Pás do Distribuidor

Rotor Hélice

Gerador


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Eixo, Volante de Inércia e Gerador


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Canal de FugaRio das Antas


78

Casa de Máquinas


79

Os temores de Joe Newman...O peixeiro bondoso

A sucata extraterrestre

O cirurgião gigante

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