Archivo para noviembre, 2012


figura_3_2_Costos_de_capital_y_eficiencias_para_dispositivos_ES

Hay diferentes formas de almacenar energía, estos involucran tanto un gasto (costo) como también influenciado directamente por la calidad de los materiales que repercuten en lo que es la eficiencia.

Doy en esta entrada esta tabla inicial, mientras tenga acceso a mas información, podré aumentar de más datos a medida que se desarrolla la tecnología. Es necesario acotar que hay mucha investigación en realización tanto en universidades como en empresas, la continuidad de productos noveles en el mercado es bastante alta.

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figura_3_1_Una comparacion_tecnica_de_tecnologias_ES

Diferentes tecnologías se disponen en el mercado del almacenamiento de energía. Influenciado con la tendencia de la generación en función de energías alternativas renovables, existen muchas en el mercado.

Las consideraciones técnicas de cada una de ellas es la que se muestran en el presente post. Aunque la referencia es al parecer muy distante, el texto desde donde se saco es de reciente publicación.


 

Los perfiles aerodinámicos NACA son los que usan en los álabes de las turbinas eólicas de eje horizontal (a seguridad, pues son los que más me dedico).

Estos perfiles cuyas dimensiones se pueden extraer de bases de datos en la WWW, sirven para no solo ver la forma y la construcción en el caso de los que son fabricantes, sino tambien, hacer las simulaciones como para mecánica de fluidos y dinámica de gases, ambas cosas complejas pero que se están implementando.

Para simular estas cosas hay que tener en cuenta el código que sea el de menos costo computacional… ante esto en los siguientes entradas iremos colocando los resultados de lo que se vaya desarrollando y que espero sirva como una motivación a quienes visitan el blog.

Los perfiles aerodinámicos son unas características ya bien definidas en su geometría, queda además, estudiar en el caso de deformaciones, usualmente son caros los materiales que tienen una alta resistencia a la deformación, pero en el caso de desarrollo con materiales deformables, es un buen tema para ver como afecta en el rendimiento la deformación del perfil por la deformación del álabe debido a las fuerzas que actúan sobre ella durante el funcionamiento del aerogenerador.


 



 


Esta temperatura de equilibrio resulta del análisis del comportamiento de un colector solar como un cuerpo negro. Es decir, en primer lugar parte de la radiación que llega del Sol es absorvido por el colector solar (su variable característica se llama absotividad) influido también por el ángulo de incidencia del colector solar (que por lo general se coloca de tal manera que durante todo el año se tenga la mayor captación de calor). Entonces tenemos esta energía que es capturada del Sol. Luego, como todo cuerpo negro emite radiación con cierta emisividad menor a uno que lo acerca a ser un objeto real porque cuerpo negro perfecto no existe.

En ese equilibro que resulta de la energia recibida y la energia emitida como cuerpo negro (Ecuación de Boltzmann) resulta esta temperatura máxima o temperatura de equilibrio radiante de la superficie negra del colector solar, luego de que se ha establecido el equilibrio térmico (trabajo en estado estable)


La variación de la distancia Tierra-Sol ocurre durante todo el año y esto llega consigo a que se debetenerse en cuenta, dado que va a producir una variación del flujo de radiación en el rango de ±3%. La dependencia de la radiación extraterrestre con el día del año se muestra en la figura del presente entrada.

Al atravesar la capa atmosférica, la radiación va a ser difundida y absorbida, incluso reflejada, por las moléculas en suspensión dentro de la misma, como por ejemplo el vapor de agua condensado en las nubes. No obstante, como habrá una cierta cantidad de radiación solar que no encontrará obstáculo y otra cantidad que sí, se introducen los siguientes conceptos:

  • Radiación directa: es la radiación solar recibida en la superficie terrestre sin que haya sufrido ningún cambio de dirección en su recorrido.
  • Radiación difusa: es la componente de la radiación solar recibida en la superficie terrestre despuésde que los procesos de dispersión (reflexión y difusión) por la atmósfera hayan modificado su recorrido.
  • Radiación de albedo: es la componente de la radiación solar procedente de la reflexión del suelo.

La radiación total será la suma de la radiación directa, difusa y de albedo.


 

Los sistemas solares de concentración están adquiriendo cada vez mas fuerza como tecnologías para la producción de energía eléctrica. Prueba de ello, son los más de 2000 MWe que figuran como inscritos provisionalmente en el Registro de Instalaciones de Producción de Energía Eléctrica en el Régimen Especial, en España. En la figura que aparece a continuación se muestran los proyectos, en fase de explotación, ejecución o promoción, en mayo de 2007.

De todos los proyectos que se muestran en la figura, la mayor parte, a excepción de las plantas PS10 y PS20, se refieren a centrales termosolares de colectores cilindro parabólicos. Todas ellas utilizan aceite como fluido calorífero en el campo solar, tecnología que se denomina Heat Transfer Fluid, pues se caracteriza porque el fluido de trabajo en el campo solar no es igual al fluido del ciclo de potencia (en general, aguavapor), por lo que precisan de un intercambiador de calor  intermedio. Esta tecnología ha sido la que se ha utilizado hasta el momento en plantas comerciales, desde las primeras plantas instaladas en California durante la década de los ochenta, hasta ahora.

Frente a esta tecnología convencional, la generación directa de vapor en colectores cilindro parabólicos (proceso GDV) se presenta como una opción muy atractiva para reducir el coste de la electricidad generada utilizando estos sistemas de concentración solar. Mediante esta tecnología se aumenta el rendimiento anual de la planta debido, entre otros factores, a la eliminación de las pérdidas de calor asociadas a los intercambiadores de calor intermedios entre el campo solar y el bloque de potencia, necesarios en caso de que el fluido calorífero del campo solar no coincida con el fluido de trabajo del ciclo de potencia. Además, se reducen los costes del sistema solar, ya que la mayor inversión en tuberías que aguanten las presiones óptimas de trabajo del vapor queda compensada por el ahorro en otros sistemas específicos del uso de aceites, sales u otros fluidos de trabajo en el campo solar: cambiadores de calor, sistemas anti-incendios, tanques de
expansión, sistemas calefactores para el tanque de almacenamiento, etc.

Esta tecnología se ha probado con éxito en el proyecto DISS, donde actualmente se produce vapor sobrecalentado a 100 bar en los tubos receptores de los colectores LS-3. A partir de este proyecto, se han puesto en marcha dos proyectos para la construcción de centrales termosolares empleando esta tecnología en España. El primer proyecto, Almería GDV, pretende construir una central de 3 MWe en la Plataforma Solar de Almería. El segundo proyecto, Real DISS, tiene por objetivo final la construcción de una central de 50 MWe en Carboneras, aunque como paso previo, se quiere ensayar un lazo de pruebas con componentes mejorados, también en Almería.

La elaboración de componentes mejorados para la generación directa de vapor en colectores cilindro parabólicos es uno de los aspectos clave para el desarrollo de esta tecnología. Se espera que en breve se puedan comercializar tubos absorbedores para trabajar a más alta temperatura y presión (525 ºC y110 bar). De esta forma quedaría todavía más patente las ventajas del vapor frente al aceite sintético, ya que la temperatura límite de operación de este último es 400 ºC; por encima de dicha temperatura, el aceite se degrada. Con los tubos absorbedores actuales, esta limitación no supone un inconveniente propiamente, ya que la superficie selectiva del tubo absorbedor limita también la temperatura a estos valores. Otro sistema clave para el despliegue de la generación directa de vapor en colectores cilindro parabólicos es el sistema de almacenamiento térmico, pues hasta el momento no se ha desarrollado ningún sistema eficiente para la generación directa de vapor. Dentro del proyecto Real DISS se quiere probar un sistema de almacenamiento basado en módulos especialmente adaptados a cada una de las secciones del proceso de generación directa de vapor: precalentamiento, evaporación y sobrecalentamiento.


La energía termoquímica es almacenada como los enlaces de energía de una acoplamiento químico. Durante la reacción termoquímica, los enlaces atómicos son rotos a través de reacciones químicas reversibles y son catalizados por un incremento en la temperatura – el cual permite a la energía ser almacenada.

Después que la separación termoquímica ocurre, los constituyentes son almacenados aparte hasta que la reacción de combinación sea deseada. La recombinación de los enlaces entre átomos libera la energía termoeléctrica almacenada. La principal ventaja del almacenamiento termoquímico incluye una alta densidad de energía  y largo plazo de descarga más capacidad de almacenamiento en baja temperatura.

Sin embargo, los procesos electroquímicos son complejos; los materiales termoquímicos son frecuentemente caros y pueden ser peligrosos. Un listado de las principales reacciones termoquímicas usadas en la actualidad se da en la figura.

 

Extracto de mi informe de curso de curso de Gestión Tecnología (2012-II) en Programa Doctorado en Fisica de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima. PERU.


De manera similar para el caso de calor latente, en que la cantidad de energía en la forma de calor es liberada o absorbida por un material durante un cambio de estado o transición de fase tal como un sólido a líquido (melting) o de líquido a gas (vaporización). El almacenamiento de energía de calor latente es atractivo para materiales que se someten a un significativo alto cambio de energía interna durante un cambio de fase. Materiales usuales para almacenamiento por calor latente se muestran en la figura.

La energía de cambio de fase (calor de fusión o vaporización) de un material determina su capacidad de almacenamiento térmico como un PCM. Para ser apropiado para almacenamiento de calor latente, los materiales deben exhibir un alto calor de transición, alta densidad, apropiada temperatura de transición, baja toxicidad, performance long-term a bajo costo, almacenar energía a reducidas temperaturas.

Además, con calor latente es mucho mas difícil de transferir que con calor sensible, debido a algunos PCMs tiene baja conductividad en estado sólido, otros son inflamables por lo cual es necesario adicional diseño de seguridad en los recipientes de almacenamiento


El material seleccionado para TES con calor sensible debe ser térmicamente estable y no debe tener ningún cambio de fase durante temperaturas extremas. La sustancia también debe tener una alta capacidad de calor, alta densidad y una aceptable baja presión de vapor. Para ser económicamente viable, no debe ser cara. Varios usuales materiales de almacenamiento de calor sensible y sus propiedades son mostrados en la figura.

Extracto de mi informe de curso de curso de Gestión Tecnología (2012-II) en Programa Doctorado en Fisica de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima. PERU.


 

Como se muestra en la figura, la eficiencia “round-trip” de TES (Thermal Energy Storage) es muy alta y excede al de otras opciones de almacenamiento. TES ofrece una alta eficiencia de almacenamiento por varias horas a un costo moderado. Adicionalmente, estos permiten almacenar energía para entregar en períodos de demanda pico, haciendo que las tecnologías de energía térmica solar sean competitivas con las turbinas de gas a nivel de capacidad de fuentes de energía.

La única demostración comercial de TES integrados con plantas de energía solar térmica actualmente en operación es AndaSol en España, el cual usa aceite sintético como medio de almacenamiento. Investigaciones están en marcha para desarrollar sales fundidas como un potencialmente más eficiente medio para TES.

TEs de fin de uso son de costo más efectivo en regiones con temperaturas medias y relativamente baja humedad. Demostraciones de tecnologías de TES de fin de uso se han realizado en los Estados Unidos, Reino Unido, Alemania y Escandinavia. Por ejemplo, cerca del 8% de los calentadores de agua residencial en el Reino Unido usa un específico material TES que se calienta durante la noche con el fin de calentar agua durante el día y reducir el consumo pico de electricidad.

Extracto de mi informe de curso de curso de Gestión Tecnología (2012-II) en Programa Doctorado en Fisica de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima. PERU.


El EES (Electric Energy Storage) usa formas de energía tales como la energía química, cinética o potencial para almacenar energía que después será convertida en electricidad. Tal almacenamiento puede proveer tres servicios básicos: suministra electricidad en horas punta usando electricidad almacenada durante períodos de baja demanda, balancear el suministro de electricidad y las fluctuaciones de la demanda sobre un período de segundos y minutos, y posponer ampliaciones de la capacidad de la red eléctrica.

La capacidad global de las EES hacia 2009 es de 90 GW [1], el cual es solo 3% de la capacidad de producción de energía eléctrica debido a los altos costos de capital de las EES comparadas a las plantas de energía de gas natural, el cual puede proveer servicios similares, y las barreras regulatorias para entrar en el mercado eléctrico. De la capacidad global, 22 GW de EES está en los Estados Unidos (2.5% de la capacidad de generación eléctrica).

Las EES pueden potencialmente suavizar la variabilidad en el flujo de potencia desde la generación renovable y almacenar energía renovable, de modo que la generación renovable puede ser programado para proveer cantidades específicas de potencia, el cual puede reducir los costos de la integración de las energías renovables con la red de electricidad, incrementando la penetración de las energías renovables e inducir la reducción de GHG (Greenhouse Gas Emission).

Hay dos formas muy diferentes de TES: TES aplicable a las plantas de energía solar térmica y  TES de fin de uso (end-use). TES para plantas de energía solar térmica consiste de un aceite sintético o sal fundida que almacena energía solar en la forma de un colector de calor para plantas de energía solar térmica para permitir suavizar la salida de potencia durante horas del día nublados y extender la producción de energía por 1 a 10 horas pasado la puesta del sol. Los TES de fin de uso, almacena electricidad desde períodos fuera de pico a través del uso de almacenamiento frío o caliente en acuíferos subterráneos, agua o tanques de hielo u otros materiales y usa esta energía almacenada para reducir el consumo de electricidad para calefacción de edificios o sistemas de aire acondicionado durante las horas picos de demanda.

[1] Pew Center on Global Climate Change. “Electric Energy Storage”. Mayo 2009.

Hola, esta figura si que es muy importante y muestra mucho de lo que actualmente se necesita en el negocio de la electricidad. No es sólo que haya almacenamiento y que se dé energía eléctrica desde la fuente de almacenamiento para cuando “falte” energía en las cargas.

Se tiene diferentes potencias y tiempos de almacenamiento para diferente uso, es decir: para asegurar la calidad eléctrica,  la fiabilidad del sistema eléctrico, la estabilidad del sistema de transmisión, la regulación del voltaje, las reservas, entre otros… Estos criterios se ajustan a la experiencia en las experiencias en renovables realizadas en la actualidad y que progresivamente se están recopilando en normas técnicas nacionales e internacionales, las cuales continuamente están en mejoras o en revisión, para lo cual las agencias encargadas emiten versiones cada año o cada cierto tiempo. Se mencionó que la demanda de energía eléctrica a nivel mundial va a seguir en crecimiento y a esto, añadiendo la tendencia a cambiar de matriz energética a un entorno más “verde”, es de hecho, que numerosas tecnologias se desarrollan en cada uno de los objetivos del uso del almacenamiento de energía mostrados en la figura.


Muestro en esta entrada diferentes tecnologías de almacenamiento en base a la potencia que pueden despachar y al tiempo de descarga. Hay mucha física involucrada en el sentido que son los procesos físicos y químicos los que determinan la capacidad de respuesta, el tiempo de respuesta a la necesidad de despachar energía, y también el grado de rapidez de transformación de la energía eléctrica desde su forma química a la forma de corriente eléctrica.

Esta gráfica es una muestra general, dentro de cada tecnología numerosos fabricantes y centros de investigación desarrollan y perfeccionan cada vez las diferentes tecnologías.  Pueden revisar las web de los diferentes fabricantes, y como es en éste mercado, existen de todos los precios y calidades. Y es que la calidad tiene que ver mucho con el precio, más aún si por ahora las energías renovables están fuertemente subvencionadas por gobiernos o fondos de apoyo al desarrollo de las energías renovables. Sin embargo, cada progreso, nos permite visualizar el marco tecnológico a pronto futuro en que las cosas sean mas comercializables.


Las simulaciones de circuitos eléctricos representan mucho interés en el campo de la ingeniería eléctrica, no solo para visualizar la forma de las ondas, el desplazamiento angular, el ángulo de desfasaje… sino las trayectorias que dibujan en un modus operanti cuando hay cambios de la frecuencia del circuito eléctrico o cambios en la configuración de los diferentes elementos de una red eléctrica.

Por lo tanto, una combinación de plot, polar y otras formas se deben usar para visualizar en una sola figura las diferentes comportamientos de la red eléctrica. Esto dará una mejor idea a quien analiza o simula un sistema eléctrico determinado, sea este de circuitos eléctricos o quizas una extensión quizás a lo que es sistemas eléctricos de potencia o sistemas de alta frecuencia.

En la figura una muestra de las forma de análiis de un circuito eléctrico dibujando varias curva. Recordar que de cada dibujo, es solo una visualización de los datos que se crean en el Workspace almacenados en variables, de las cuales uno puede extraer los datos para hacer otros análisis más puntuales o precisos.  Hecho en Matlab/Simulink.


 

Muchas gracias por sus visitas al blog durante el mes de Octubre del 2012. Hemos superado todos los meses pasados y eso es muy motivante, dado que esta idea de compartir conocimiento, aportar en algo a la comprensión de la temática de las energías renovables y temas relacionados, se vé reflejado entre otras cosas en la aceptación, lectura y/o crítica de las entradas que realizo.

El tiempo es algo corto cuando se tiene que cumplir con varias responsabilidades con uno mismo y con el entorno social, sin embargo, he tratado siempre de arrancar un poco de tiempo al tiempo a fin de postear, dejando de lado actividades, algunas bien importantes que han llevado a pagar un alto costo… pero en fin, es un sueño, un motivo que nace desde dentro el desarrollar esta vocación.

A veces me pongo a pensar en que colocar en la siguiente entrada, pero tal como la vida lo es, la siguiente entrada es toda una inseguridad que si va a ser la correcta, somos inteligentes y entre la diversidad de información que se pasea ante nuevos ojos, hay que seleccionar lo que se tratará en el siguiente post. No hay aciertos ni desaciertos, considero, que de una u otra manera se aporta tanto al estudiante, al profesional o al público en general, al principiante y al experto dentro de las limitaciones que da el uso del blog.

Nuevamente muchas gracias, quedan invitados a mi facebook, muchos visitantes de mis blog son mis amigos y solemos conversar via este medio (facebook), otros lo prefieren hacer via Skype, algunos se apuntan en mi Linkedin… es grato saber de sus progresos y tratar de resolver sus dudas, inquietudes, preguntas, como también compartir lo que hacen en su trabajo, universidad o empresa.

Seguimos adelante !!  🙂

Jorge Mírez
PERU