GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD CON ENERGÍAS HIDRÁULICA Y EÓLICA Colegio de Físicos 9 de mayo de 2008 GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD CON ENERGÍAS HIDRÁULICA Y EÓLICA Emilio Menéndez Pérez Dr. Ingeniero de Minas Profesor Honorario UAM y UPM

SOL 1 10 100 1.000 El SOL nos envía un volumen de energía cuatro órdenes de magnitud por encima del nivel que corresponde a nuestro consumo actual SOL Se manifiesta en cuatro formas de energía 1 10 100 1.000 VEGETACIÓN; una parte es la BIOMASA MOVIMIENTO DEL AGUA; una pequeña parte: E. HIDRÁULICA VIENTOS; Sólo una parte muy pequeña: ENERGÍA EÓLICA RADIACIÓN SOLAR; Energía para todos; ENERGÍA SOLAR Temas significativos: Biocarburantes de segunda generación. Agro energía sostenible Gestión de la red eléctrica con alta penetración de electricidad de origen eólico. Almacenamiento por bombeo hidráulico. Ruptura tecnológica en fotovoltaicva. Reducción de inversión

Participación de las Energías Renovables en el abastecimiento de Energía Primaria Media de la Unión Europea: 6,4% Se pretende llegar al 12% en el año 2010 En el 2020 elevarlo al 20% En el año 2005: + Biomasa.- 66,1% del total + Hidráulica.- 22,2% + Geotérmica.- 5,5% + Eólica.- 5,50% + Solar.- 0,7% 30% Suecia.- Energía hidráulica Finlandia.- Biomasa Austria.- Biomasa e hidráulica 20% Dinamarca.- Biomasa y eólica España.- Biomasa, hidráulica y eólica El consumo de energía crece más que las EE.RR. 10% 6,4% Italia.- Geotérmica, biomasa e hidráulica Francia.- Biomasa e hidráulica Alemania.- Biomasa, eólica e hidráulica Reino Unido.- Biomasa

ASPECTOS TÉCNICOS: Transformación de la energía cinética del agua o del viento + E = ½ m V Utilización de turbinas que recogen esta energía + Hidráulicas: elevado rendimiento, por encima de 90% + Eólicas: bajo rendimiento, por debajo del 50% Los diseños hidráulicos permiten almacenar energía, agua La energía eólica no se almacena 2

La energía cinética se valora como la transformación de la ENERGÍA HIDRÁULICA: La energía cinética se valora como la transformación de la energía potencial de la masa de agua a una determinada altura geométrica: + E = ½ m V equivale a E= mgh Los diseños pueden ser de diverso tipo: + Canal paralelo al río + Presas de diferente volumen Las turbinas hidráulicas son de diferente diseño según sea la relación entre altura geométrica y caudal 2

Q P1 h P2 Bombeo h Qe E = m.g.h; q.t.g.h E = 1/2 m. V P (kW) = q ( m /s).g.h (m) Qe : caudal ecológico 2 3

La solución macro almacena más energía, genera más electricidad y reporta más beneficios económicos empresariales. Pero desplaza personas, distorsiona el entorno y a la larga da menos beneficios al conjunto de la Comunidad. a Solución Macro b Es necesario analizar el proyecto hidráulico en su conjunto de aspectos sociales, ambientales y energéticos. Puede que una serie de pequeñas represas, que mantienen la vida en su entorno sea más viable a largo plazo que una macro instalación que obliga a desplazamientos humanos. c

P : Q. g. h Altura geométrica m 100 20 MW Pelton 75 Francis 50 1 MW Kaplan 25 Bulbo 1 2 5 10 20 50 100 Caudal: m /s 3

Rusia: Elevados recursos en áreas poco pobladas. Mirada al mercado europeo. América del Norte: Grandes recursos y mercado futuro. Europa: Recursos bajos, ya aprovechados. China e India: Amplios recursos, en buena parte en áreas muy pobladas. Necesidad de energía y planes de obtenerla con grandes presas. Problemas sociales y ambientales. América Latina: Recursos de tipo medio, afectados por el efecto de El Niño Existe demanda y unas ciertas infraestructuras Africa Subsahariana: Recurso amplios, sin infraestructuras de transporte y distribución eléctrica. Interés europeo para llevar electricidad al Mediterráneo

Presa del embalse de Entrepeñas, Guadalajara.- Diciembre de 2007

ENERGÍA EÓLICA. ASPECTOS BÁSICOS: Energía disponible en función de la velocidad al cubo + E = ½ m. V E = ½ A.V . V = ½ A V + Límites de eficiencia. Parámetro de Benz Aerogenerador de eje horizontal. Tripala + Incremento progresivo de potencia unitaria: 3 MW Parques eólicos en tierra. Montañas y zonas llanas + Un año de medidas de recurso eólico + Nueve meses de construcción 3 2 2

CURVAS CARACTERÍSTICAS DE AEROGENERADORES Rendimiento 0,6 Curva de rendimiento máximo teórico 0,5 Bipala de alta velocidad 0,4 0,3 0,2 0,1 1 Velocidad periférica de pala 6 7 Velocidad de viento

Potencia en kW Rotor de paso variable 600 500 Rotor de paso fijo 400 300 200 Aerogenerador de 660 kW potencia nominal: + Diámetro de rotor: 48 m + Altura de torre: 60 m 100 50 5 10 15 20 25 Velocidad del viento, m/s

Evolución de los aerogeneradores de eje horizontal Evolución del Rotor: Palas de paso fijo Palas de paso variable Velocidad variable Generador Eléctrico: Motor Asíncrono Motor Síncrono Nueva Electrónica de Potencia Calidad y Fiabilidad en la red Caja Multiplicadora Mejora de diseño Desaparece en nuevos aerogeneradores Mejor rendimiento energético Control y regulación del vertido a red Evolución de los aerogeneradores de eje horizontal

LA TECNOLOGÍA EÓLICA CUMPLE LA 1ª GENERACIÓN: ¿Cómo serán los aerogeneradores del futuro? + No lo sabemos. Posiblemente de concepción diversa Puede que volvamos a las máquinas de eje vertical + Razones de peso del equipo mecánico – eléctrico Se está desarrollando la eólica marina + Pero pueden tener nuevos diseños + El recurso eólico marino es muy amplio. Europa - En España también

Longitud ¿Rigidez o de pala. El peso de góndola flexibilidad? 50 a 70 m ¿Rigidez o flexibilidad? El peso de góndola será de más de 100 t ¿200 m de altura? 80 a 100 m Grandes aerogeneradores: más de 5 MW de potencia

B) Hincado A) Muerto C) Pilotes

Aumento de velocidad en razón inversa a la disminución de la P = f ( V ) 3 Aumento de velocidad en razón inversa a la disminución de la superficie de paso de la corriente Estructura soporte Giro controlado

Se estima que el recurso de eólica marina recuperable en el año 2020 será de: - 236.600 MW 8 MW 5 MW 3 MW 30 m 50 m Tecnología al año 2010 Año 2015 2020

VALORACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO EN LA PENINSULA EÓLICA EN TIERRA: Galicia.- 7.000 MW. Castilla Y León.- 8.000 MW Aragón.- 4.000 MW Castilla La Mancha.- 4.000 MW Otras CC.AA.- 10.000 MW EÓLICA MARINA: Golfo de Cádiz.- 20.000 MW. Buen viento y emplazamientos factibles Costa de Mediterráneo.- 15.000 MW.- Fondos no muy profundos. Vientos bajos Otras zonas, en Galicia y en puertos.- 10.000 MW. Emplazamientos singulares

LOS PARQUES EÓLICOS SON UN BUEN NEGOCIO: Prima a la electricidad suministrada a la red + Legislación: Alemania, Dinamarca, España + Se mantiene a lo largo de la vida del parque La prima no es un extra coste elevado + Véase el gráfico adjunto Los excedentes para el promotor son muy elevados + A partir del año número diez de operación + Puede haber un “colonialismo regional”

PARQUE EÓLICO MEDIO, EN TIERRA Valores de ingresos y gastos Ingresos por la venta de electricidad Fin de la vida útil Posibilidad de reponteciación (Valor de la prima) Resultados brutos. Antes de impuestos. Devolución del préstamo Gasto de reposición, y generales Gastos de operación y mantenimiento 10 20 30 Años de vida

Valores de la electricidad en cts de euro/kWh 12 4.- Precio que paga el consumidor doméstico 4 10 2.- Precio de venta de la electricidad eólica 8 3 2 Prima eólica 6 3.- Precio medio de venta de la electricidad en España. 1 4 1.- Coste medio de la generación en el sistema eléctrico 2

Operación y mantenimiento 15 Ingresos por primas 40 Millones Euros Parque eólico: Potencia …….…. 40 MW Horas anuales ..… 2.200 Vida útil ,,,,,,,...,,, 25 años Inversión .... 40 Mll Euros Préstamo … 30 Mll Euros Interés real ………….. 5% Gastos Locales 7 Gastos generales 13 Gastos financieros 45 Millones Euros Valor de la subasta de la electricidad en sistema convencional 120 Millones Euros Ingresos brutos para el promotor 80 Millones Euros El desarrollo de la energía eólica puede tener carácter de colonialismo regional Debe haber una participación local o regional significativa en la propiedad O participación desde las Comunidades Autónomas en las que se implanta Desde luego una distribución equilibrada de los excedentes de explotación

Un estudio cifra el empleo directo en eólica en 15 Un estudio cifra el empleo directo en eólica en 15.450 puestos de trabajo. “Eólica 2007” de la Asociación Empresarial Eólica, AEE

En España, a finales de 2007: Potencia eólica instalada.- 15.145 MW, la sexta parte del total mundial Algo más del 9% de la generación bruta española de electricidad Casi 600 parques eólicos.- Potencia media 25 MW Potencia más frecuente de los últimos aerogenerados de 660 a 2.000 kW

Parque eólico frente a Portosin, ría de Muros y Noia, Coruña Parque eólico frente a Portosin, ría de Muros y Noia, Coruña.- Agosto de 2007

Bombeo entre presas 90% 90% Bombeo entre depósitos 75% 40% ¿60%? Almacenamiento en parque eólico ¿90%? Almacenamiento en la red eléctrica general Sin demostrar y con demandas de desarrollo tecnológico

EL RECURSO EÓLICO ES MUY AMPLIO EN EL MUNDO: Más de 200.000 TWh/año de electricidad + Consumimos 16.000 TWh Pero está en zonas poco habitadas o lejanas de los consumos + La Patagonia por ejemplo + Marruecos y Mauritania También hay un recurso para la eólica aislada + Los pequeños consumidores. Coste moderado - Necesidad de estabilidad del sistema

Aquí se reflejan algunas áreas de buenos recursos eólicos de una parte del mundo. Hay otras varias, y además es preciso tener en cuenta los efectos climáticos regionales o locales para valorar otros campos eólicos. Se estima que utilizando el potencial eólico mundial es posible generar 200.000 TWh/a. Esto podría atender la actual demanda de electricidad, 16.000 TWh, su incremento futuro, y producir el hidrógeno necesario para el uso actual de automoción, o alimentar los vehículos de tracción eléctrica.

Vientos alisios en Isla do Sal, Archipiélago de Cabo Verde Vientos alisios en Isla do Sal, Archipiélago de Cabo Verde.- Mayo de 2004

EÓLICA DEL CHOCÓN: En una meseta próxima a esta presa, cuya potencia hidráulica es de 1.200 MW. Con unas 3.000 equivalentes a plena carga. Parque eólico de: - 1.000 aerogeneradores - 3.000 MW - 3.500 horas equivalentes - Inversión.- 3.000 Mill Euros. - Generación.- 10.000 GWh 1,5 Km. 15 Km Generación de la décima parte del consumo eléctrico en Argentina 250 m 25 Km

España e Italia está muy cerca de África y deben ser los líderes de esta visión del Mediterráneo. Toda Europa Occidental también. Francia debiera ser un país clave en proyectos de este tipo. 4 1 2 3 Reducir la presión de demanda de petróleo y gas natural en el Oriente Medio desde la Europa Occidental. Facilitar la llegada de petróleo y eventualmente gas natural hacia otros países. Extender este esquema para la cooperación a Oriente Medio. 1.- Potencia eólica en el Magreb: 100.000 MW 2.- Generación eléctrica con gas natural 3.- Extracción moderada de petróleo y gas 4.- Cooperación tecnológica, industrial y financiera con el Sur del Mediterráneo

ESQUEMA DE DISEÑO DE EÓLICA AISLADA Batería de acumulación Usuarios varios con media o baja potencia de conexión. Gestión de demanda en función del viento disponible. Minimización de la electricidad generada con el motor diesel. Generador diesel (Suministro de la energía reactiva y mantenimiento de la calidad de onda)

Muchas gracias por su participación emilio.menendez@uam.es