numbers, not adjectives - uab...

Energies renovables i no renovables

‘Numbers, not adjectives’

David MacKay, in Sustainable energy

‘I’m absolutely not anti-renewables. I loverenewables. But I’m also pro-arithmetic.’

David MacKay, in TEDx Warwick talkshttp://www.ted.com/talks/david_mackay_a_reality_check_on_renewables.html


David Mackay. Sustainable energy – without the hot airhttp://www.withouthotair.com/

Jaime González Velasco. Energías renovables

Vaclav Smil. Energy in World History

MODELS DE CONSUM I ESTALVI

ENERGÈTIC

1. Definició d’energia i potència. Unitats i mesura.

2. Balanç energètic a escala planetària.

3. Consum energètic I. Perspectiva històrica.

4. Consum energètic II. Situació present.

5. Problemes ambientals derivats dels usos energètics antròpics.

6. Eficiència energètica vs sostenibilitat energètica.

7. El problema de l’energia: casos pràctics. (sessió problemes)


1 J 102 J 104 J 106 J 108 J 1010 J 1012 J 1014 J 1016 J yy

1 cal 1 Btu 1 Cal 1 kW·h 1 BEP 1 tep

Escales d’energia

1 litre

1 kg U235Consumanual/hab.

1. Definició d’energia i potència. Unitats i mesura

Definició d’energia ↔ Principi de conservació

10-2 W 1W 102 W 104 W 106 W 108 W 1010 W 1012 W 1014W

Escales de potència: 𝑷𝒐𝒕 = ∆𝑬/∆𝒕

Consummundial


Taxa de retorn energètic (TRE) =∆𝐸 que obtenim de la font

∆𝐸 necessària per extreure−la

Rendiment energètic =∆𝐸 que aprofitem de la font

∆𝐸 màxima que conté la font=

𝑃𝑜𝑡 que aprofitem la font

𝑃𝑜𝑡 màxima que podria subministrar

Potència nominal =∆𝐸 que s′obté funcionant a màxima càrrega

∆𝑡

Densitat energètica =∆𝐸 que conté la font

volum de la font

Grau termodinàmic d′una font d′energia: Capacitat de transformació a alta eficiència que té la font. ↔ Grau de noblesa de la font ↔ Nivell d’entropia de la font

↔ poder calorífic

Intensitat energètica =∆𝐸 consumida per un territori

PIB del territori

Energia específica =∆𝐸 que conté la font

massa de la font


Mesura de l’energia i/o potència

Electromagnètica Química

Tèrmica Cinètica

Elèctrica Nuclear Gravitatòria

𝐸 = ℎ𝑓

𝐸 =1

2𝑚𝑣2 𝑃𝑜𝑡 =

1

2𝜌𝑄𝑣2

𝐸 = 𝐾𝑞1𝑞2𝑟

𝐸 = 𝑚𝑐2

∆𝐸 = 𝑚𝑐∆𝑇 ∆𝐸 = ∆𝑇/𝑅𝑇

∆𝐸 = 𝑚𝑔∆ℎ

∆𝐸 = 𝑚𝐻


Matriu de conversions d’energia


Taxa de retorn energètic (TRE) per combustibles


Densitat d’energia i energia específica

2. Balanç energètic a escala planetària

Com l’energia arriba a i escapa de La Terra?

2. Balanç energètic a escala planetària

A on va (pot anar) aquesta energia? Quin percentatge és aprofitable, i en quina manera?

Consum energètic humà:13 TW (2013)


Consum d’energia i desenvolupament humà

Alimentació Indústria i agricultura

Domèstic Transport TOTAL

Recolector 126 W 126 W

Caçador 145 W 97 W 145 W

Agricultor primitiu 194 W 194 W 194 W 48 W 630 W

Agricultor avançat 169 W 339 W 581 W 48 W 1137 W

Industrial 169 W 1161 W 1548 W 677 W 3555 W

Tecnològic 169 W 4403 W 3193 W 3048 W 10813 W

Potència consumida per habitant


Ús de combustibles fòssils

Tecnologies utilitzades


Transport

L’energia com a motor de progrés econòmic


L’energia com a indicador econòmic (I)


L’energia com a indicador econòmic (II)

-40 -20 0 20 40

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

North America

Bermuda

CanadaMexico

United States

Central & South America

Antigua and Barbuda

Argentina

Aruba

Bahamas, The

Barbados

Belize

Bolivia

Brazil

Cayman Islands

ChileColombia

Costa Rica

Cuba

Dominica

Dominican RepublicEcuador

El Salvador

French Guiana

Grenada

Guatemala

Guyana

Haiti

HondurasJamaicaMartinique

Netherlands Antilles

Nicaragua

Panama

Paraguay

Peru

Puerto Rico

Saint Kitts and Nevis

Saint Lucia

Saint Vincent/Grenadines

Suriname

Trinidad and TobagoUruguay

Venezuela

Virgin Islands, U.S.

Europe

Albania

AustriaBelgium

Bosnia and Herzegovina

Bulgaria

Croatia

Cyprus

Czech Republic

DenmarkFinland

FranceGermany

Greece

Hungary

Iceland

Ireland

Italy

Luxembourg

MacedoniaMalta

Montenegro

Netherlands

NorwayPoland

Portugal

Romania

Serbia

Slovakia

Slovenia

Spain

SwedenSwitzerlandTurkey

United Kingdom

Eurasia

Armenia

Azerbaijan

Belarus

Estonia

Georgia

Kazakhstan

Kyrgyzstan

Latvia

Lithuania

Moldova

Russia

Tajikistan

Turkmenistan

Ukraine

Uzbekistan

Middle East

Bahrain

Iran

Iraq

Israel

Jordan

Kuwait

Lebanon

Oman

Palestinian Territories

Qatar

Saudi Arabia

Syria

United Arab Emirates

Yemen

Africa

Algeria

Angola

Benin

Botswana

Burkina Faso

Burundi

Cameroon

Cape VerdeCentral African Republic

Chad

Comoros

Congo (Brazzaville)

Congo (Kinshasa)

Cote dIvoire (IvoryCoast

Djibouti

Egypt

Equatorial Guinea

Eritrea

Ethiopia

Gabon

Gambia, The

Ghana

Guinea

Guinea-Bissau

Kenya

Lesotho

Liberia

Libya

MadagascarMalawi

Mali

Mauritania

Mauritius

Morocco

MozambiqueNamibia

Niger

Nigeria

Reunion

Rwanda

Sao Tome and Principe

Senegal

Seychelles

Sierra LeoneSomalia

South Africa

Sudan and South Sudan

Swaziland

Tanzania

Togo

Tunisia

Uganda

Zambia

Zimbabwe

Asia & Oceania

Afghanistan

American Samoa

Australia

Bangladesh

Bhutan

Brunei

Burma (Myanmar)

Cambodia

China

Fiji

Guam

Hong Kong

India

Indonesia

Japan

Kiribati

Korea, North

Korea, South

Laos

Macau

Malaysia

Maldives

Mongolia

Nepal

New ZealandPakistan

Papua New Guinea

Philippines

Samoa

Singapore

Solomon Islands

Sri Lanka

Taiwan

Thailand

Timor-Leste (East Timor)

Tonga

Vanuatu

Vietnam

World

PIB

(1

01

2 d

olla

r)

Energy balance (1015

Btu)


L’energia com a indicador econòmic (III)

-100 0 100 200 300 400 500

1E-4

1E-3

0.01

0.1

1

10North America

Bermuda

CanadaMexico

United States


Antigua and Barbuda

Argentina

Aruba

Bahamas, The

Barbados

Belize

Bolivia

Brazil

Cayman Islands

ChileColombia

Costa Rica

Cuba

Dominica

Dominican Republic Ecuador

El Salvador

French Guiana

Grenada

Guatemala

Guyana

Haiti

HondurasJamaicaMartinique


Nicaragua

Panama

Paraguay

Peru

Puerto Rico


Saint Lucia


Suriname

Trinidad and TobagoUruguay

Venezuela


Europe

Albania

AustriaBelgium


Bulgaria

Croatia

Cyprus

Czech Republic

DenmarkFinland

FranceGermany

Greece

Hungary

Iceland

Ireland

Italy

Luxembourg

MacedoniaMalta

Montenegro

Netherlands

NorwayPoland

Portugal

Romania

Serbia

Slovakia

Slovenia

Spain

SwedenSwitzerlandTurkey

United Kingdom

Eurasia

Armenia

Azerbaijan

Belarus

Estonia

Georgia

Kazakhstan

Kyrgyzstan

Latvia

Lithuania

Moldova

Russia

Tajikistan

Turkmenistan

Ukraine

Uzbekistan

Middle East

Bahrain

Iran

Iraq

Israel

Jordan

Kuwait

LebanonOman


Qatar

Saudi Arabia

Syria


Yemen

Africa

Algeria

Angola

Benin

Botswana

Burkina Faso

Burundi

Cameroon

Cape VerdeCentral African Republic

Chad

Comoros

Congo (Brazzaville)

Congo (Kinshasa)


Djibouti

Egypt

Equatorial Guinea

Eritrea

Ethiopia

Gabon

Gambia, The

Ghana

Guinea

Guinea-Bissau

Kenya

Lesotho

Liberia

Libya

MadagascarMalawi

Mali

Mauritania

Mauritius

Morocco

MozambiqueNamibia

Niger

Nigeria

Reunion

Rwanda


Senegal

Seychelles

Sierra LeoneSomalia

South Africa


Swaziland

Tanzania

Togo

Tunisia

Uganda

Zambia

Zimbabwe

Asia & Oceania

Afghanistan

American Samoa

Australia

Bangladesh

Bhutan

Brunei

Burma (Myanmar)

Cambodia

China

FijiGuam

Hong Kong

India

Indonesia

Japan

Kiribati

Korea, North

Korea, South

Laos

Macau

Malaysia

Maldives

Mongolia

Nepal

New ZealandPakistan

Papua New Guinea

Philippines

Samoa

Singapore

Solomon Islands

Sri Lanka

Taiwan

Thailand

Tonga

Vanuatu

Vietnam

World

Energy balance (%)

PIB

(1

012 d

olla

r)


L’energia com a indicador econòmic (IV)

0 1

103

104

North America

Bermuda

Canada

Mexico

United States


Antigua and Barbuda

Argentina

Aruba

Bahamas, The

Barbados

Belize

Bolivia

Brazil

Cayman Islands

Chile

Colombia

Costa RicaCuba

DominicaDominican Republic

EcuadorEl Salvador

French Guiana

Grenada

Guatemala

Guyana

Haiti

Honduras

Jamaica

Martinique


Nicaragua

Panama

Paraguay

Peru

Puerto Rico


Saint LuciaSaint Vincent/Grenadines

Suriname

Trinidad and Tobago

UruguayVenezuela


Europe

Albania

AustriaBelgium


Bulgaria

Croatia

Cyprus

Czech Republic

Denmark

Finland

FranceGermany

Greece

Hungary

Iceland

Ireland

Italy

Luxembourg

Macedonia

Malta

Montenegro

Netherlands

Norway

Poland

Portugal

Romania

Serbia

Slovakia

Slovenia

Spain

Sweden

Switzerland

Turkey

United Kingdom

Eurasia

Armenia

Azerbaijan

Belarus

Estonia

Georgia

Kazakhstan

Kyrgyzstan

Latvia

Lithuania

Moldova

Russia

Tajikistan

Turkmenistan

Ukraine

Uzbekistan

Middle East

Bahrain

IranIraq

Israel

Jordan

Kuwait

Lebanon

Oman


Qatar

Saudi Arabia

Syria


Yemen

Africa

AlgeriaAngola

Benin

Botswana

Burkina Faso

Burundi

Cameroon

Cape Verde

Central African Republic

ChadComoros

Congo (Brazzaville)

Congo (Kinshasa)


Djibouti

Egypt

Equatorial Guinea

Eritrea

Ethiopia

Gabon

Gambia, The

Ghana

Guinea

Guinea-Bissau

Kenya

Lesotho

Liberia

Libya

MadagascarMalawi

Mali

Mauritania

Mauritius

Morocco

Mozambique

Namibia

Niger

Nigeria

Reunion

Rwanda


Senegal

Seychelles

Sierra Leone

Somalia

South Africa


Swaziland

Tanzania

Togo

Tunisia

Uganda

Zambia

Zimbabwe

Asia & Oceania

Afghanistan

American Samoa

Australia

Bangladesh

Bhutan

Brunei

Burma (Myanmar)

Cambodia

China

Fiji

Guam

Hong Kong

India

Indonesia

Japan

KiribatiKorea, North

Korea, South

Laos

Macau

Malaysia

Maldives

Mongolia

Nepal

New Zealand

Pakistan

Papua New Guinea

Philippines

Samoa

Singapore

Solomon Islands

Sri Lanka

Taiwan

Thailand


Tonga

Vanuatu

Vietnam

World

PIB

/ c

àp

ita

Balanç energia / càpita


L’energia com a indicador econòmic (V)


L’energia com a indicador econòmic (VI)

100

101

102

103

10-1

100

101

102

103

104

North America

Canada

Mexico

United States

Central & South AmericaArgentina

ArubaBarbados

Belize

BoliviaBrazil

Chile

Colombia

Costa RicaCuba

Dominica

Dominican Republic

Ecuador

El Salvador Falkland Islands (Islas

French Guiana

Guadeloupe

Guatemala

Haiti

Honduras

Jamaica

Martinique

Netherlands AntillesNicaragua

Panama

Paraguay

Peru

Puerto Rico


Suriname

Trinidad and Tobago

Uruguay

Venezuela

Europe

Albania

AustriaBelgium

Bosnia and HerzegovinaBulgaria

Croatia

Cyprus

Czech Republic

Denmark

Faroe Islands

FinlandFranceGermany

GreeceHungary

Iceland

Ireland

Italy

Luxembourg

Macedonia

Malta

Montenegro

Netherlands

Norway

Poland

Portugal

Romania

Serbia

Slovakia

Slovenia

Spain

Sweden

Switzerland

Turkey

United Kingdom

Eurasia

Armenia

Azerbaijan

Belarus

Estonia

Georgia

Kazakhstan

KyrgyzstanLatvia

Lithuania

Moldova

Russia

Tajikistan

Turkmenistan

UkraineUzbekistan

Middle East

Bahrain

IranIraq

Israel

Jordan

Kuwait

Lebanon

Oman

Qatar

Saudi Arabia

Syria


YemenAfrica

AlgeriaAngola

Benin

Botswana

Burkina Faso

Burundi

Cameroon

Cape Verde

Central African Republic

Chad

Comoros

Congo (Brazzaville)

Congo (Kinshasa)


Egypt

Equatorial Guinea

Eritrea

Ethiopia

Gabon

Ghana

Guinea

KenyaLesotho

Libya

Madagascar

Malawi

Mali

MauritaniaMauritius

Morocco

Mozambique

Namibia

Niger

Nigeria

Reunion

Rwanda


Senegal

Sierra Leone

South Africa


Swaziland

Tanzania

Togo

Tunisia

Uganda

ZambiaZimbabwe

Asia & Oceania

Afghanistan

Australia

Bangladesh

Bhutan

Brunei

Burma (Myanmar)

Cambodia

China

FijiFrench Polynesia

Hong Kong

India

Indonesia

JapanKorea, North

Korea, South

Laos

MalaysiaMongolia

Nepal

New Caledonia

New Zealand

Pakistan

Papua New Guinea

Philippines

SamoaSingapore

Sri Lanka

Taiwan

Thailand


Vietnam

World

Pro

du

ctio

n (

10

15 B

tu)

/ cà

pita

Consumption (1015

Btu) / càpita


L’energia com a indicador social


Indicadors de sostenibilitat energètica


Indicadors de sostenibilitat energètica (evolució)


Consum energètic per fonts

Consums (Gteps)2008

Tendència2020

Tendència2035

Compromís2020

Compromís2035

Cárbó 3,31 4,31 5,28 3,97 3,93

Petroli 4,06 4,44 5,03 4,35 4,66

Gas 2,60 3,17 4,04 3,13 3,75

Nuclear 0,71 0,91 1,08 0,97 1,27

Hidràulica 0,27 0,36 0,44 0,38 0,48

Biomassa 1,22 1,46 1,71 1,50 1,96

Altres renovables 0,09 0,24 0,41 0,27 0,70

TOTAL 12,27 14,90 18,05 14,56 16,75


Dinamarca

Brasil

Japó


Espanya

Consum energètic per usos


- 21%: Transport “de curt abast” (cotxe) Cap. 3, 20- 15%: Transport “de llarg abast” (tren, avió) Cap. 5, 20- 6%: Transport comercial (distribució de productes) Cap. 3,5,15,20- 19%: Calefacció Cap. 7, 21- 5%: Electricitat domèstica Cap. 11, 22- 25%: Indústria Cap. 15,22- 8%: Agricultura Cap. 13


- Efecte hivernacle, pluja àcida, residus radiactius, contaminació atmosfèrica i marina, deforestació, desertització, inundacions, migracions, impactes paisatgístics, impactes geològics, exhauriment dels recursos, contaminacióacústica,…

Dinamarca Brasil Japó

FuelNet calorific

value (MJ/kg)

Density

(kg/m3)

Energy

density

(MJ/l)

CO2 emission on combustion Land use implications

g/litre kg/gal g/MJ

g/mile at 4.5

MJ/mile

(see note 1)

miles/ha at 4.5

MJ/mile

(see note 1)

ha/yr at

10,000 miles

pa

Petrol 44 730 32 2328 10.6 72.8 328 - -

Diesel 42.8 830 36 2614 11.9 72.6 327 - -

LPG

(mainly propane)46 510 24 1533 7.0 65.0 292 - -

Bioethanol

(from sugar beet)27 789 21 1503 6.8 71.6 322 26400 0.38

Bioethanol

(from wheat)27 789 21 1503 6.8 71.6 322 13800 0.72

Fuel

Net

calorific

value

(MJ/kg)

Carbon content (%)

Approx. life cycle CO2 emissions

(including production)

See note 1

Annual total CO2 emissions to heat a typical house

(20,000 kWh/yr)

kg/GJ kg/MWh kgkg saved compared

with oil

kg saved compared

with gas

Hard coal 29 75 134 484 9680 -2680 -4280

Oil 42 85 97 350 7000 0 -1600

Natural gas 38 75 75 270 5400 1600 0

LPG 46 82 90 323 6460 540 -1060

Electricity

(UK grid)- - 150 530 10600 -3600 -5200

Electricity

(large scale wood chip combustion)- - 16 58 1160 5840 4240

Electricity

large scale wood chip gasification)- - 7 25 500 6500 4900

Wood chips

(25% MC) Fuel only14 37.5 2 7 140 6860 5260

Wood chips

(25% MC) Including boiler14 37.5 5 18 500 6500 4900

Wood pellets

(10% MC starting from dry wood

waste)

17 45 4 15 300 6700 5100



…o com? vs quant?

or ‘if everyone does a little, we’ll achieve only a little’

La fal·làcia de les “grans quantitats”


El Ayuntamiento de Málaga anuncia un ahorro energético de 1,5 millonesCon esta medida, según el Ayuntamiento, se ha reducido la contaminación lumínica en un 40 por ciento por la disminución del flujo luminoso reflejado, y se han dejado de emitir a la atmosfera 5.518.031,31 de kg de co2 (gases de efecto invernadero), que representa lo que absorbería un bosque de 18.340 árboles. Por su parte, la potencia ahorrada equivale a la de 1.500 hogares.

Els límits de l’eficiència

http://www.abcdesevilla.es/andalucia/malaga/20140122/sevi-ayuntamiento-malaga-anuncia-ahorro-201401211956.html

Escenaris d’eficiència/sostenibilitat

1. Balanç de potència disponible

2. Manteniment de reserves


3. Reducció 50% emissions d’efecte hivernacle


GENERACIÓ ELÈCTRICA

1. Paper de l’electricitat en els models de consum actuals.

2. Generació d’ electricitat . Principis físics.

3. Balanç energètic en la generació i distribució d’electricitat.

4. La factura de la llum.

5. Problemes pràctics (sessió problemes)


1. Paper de l’electricitat en els models de consum actuals

Per què depenem tant de l’electricitat?


L’electricitat comparada amb altres tipus d’energia: consum i preus

2. Generació d’ electricitat . Principis físics

Llei Faraday: “Un camp magnètic 𝐵 pot produir un corrent elèctric, caracteritzat per una forçaelectromotriu (fem) 휀, al llarg d’una regió d’àrea 𝐴 d’acord amb

휀 = −𝑑𝐹

𝑑𝑡

…on 𝐹 = 𝐵 · Ԧ𝐴 és el flux magnètic que passa a través del circuit.”


Motors elèctrics

Transformadors elèctrics


Autoinducció: 𝐿 =𝐹

𝐼

Per una bobina, 𝐿 = 𝜇0𝑛2𝜋

𝑑2

4𝑙 ∆𝑉 = −𝐿

𝑑𝐼

𝑑𝑡− 𝐼𝑅

Inductància mútua: 𝑀12 =𝐹12

𝐼1

Capacitat: 𝐶 =𝑄

∆𝑉

Elements bàsics d’un circuit

Resistència: 𝑅 =∆𝑉

𝐼


Circuits bàsics de corrent altern

Reactància inductiva: 𝑿𝑳 = 𝝎𝑳

Reactància capacitativa: 𝑿𝑪 =𝟏

𝝎𝑪

𝑉 = 𝑉𝑚 cos𝜔𝑡

𝐼 = 𝐼𝑚 cos 𝜔𝑡 + 𝜑

𝜑: Angle desplaçament

Circuits bàsics de corrent altern


Impedància: 𝐙 =𝑽𝒎

𝑰𝒎= 𝑹𝟐 + 𝑿𝑳 − 𝑿𝑪

𝟐 tan𝝋 =𝑿𝑳−𝑿𝑪

𝑹Admitància: 𝒀 =

𝟏

𝒁

Circuit equivalent del generador (o motor) elèctric:

Circuit equivalent del transformador:

Circuit equivalent d’una líniaelèctrica:

3. Balanç energètic en la generació i distribució d’electricitat

Eficiència dels sistemes/tecnologies actuals:


Balanç energètic en els circuits de generació/distribució:

Potència elèctrica instantània: 𝑝 = 𝑉 · 𝐼

Potència activa: 𝑃 = 𝑉 · 𝐼 · 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 𝑉 · 𝐼 ·𝑅

𝑍= 𝐼2𝑅 (efecte Joule)

Potència reactiva: 𝑄 = 𝑉 · 𝐼 · 𝑠𝑖𝑛𝜑(amb corrent trifàsic 𝑝 = 3 · 𝑉 · 𝐼𝑓𝑎𝑠𝑒)

L’energia útil del circuit ve determinades per 𝑷, però el sistema necessita també Q per a l’emmagatzegament d’energia en les reactàncies.

Càlcul de seccions de línies elèctriques:

i) Per evitar sobreescalfaments (generalment se suposa que la calor es dissipaper convecció):

∆𝐸

∆𝑡= ℎ 2𝜋𝑟𝑙 𝑇𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 − 𝑇𝑎𝑚𝑏 → 𝑟 =

3 𝜌𝐼2

2𝜋2ℎ 𝑇𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 − 𝑇𝑎𝑚𝑏

ii) Per reduir pèrdues (normalment existeix un ∆𝑉∗ permès):

𝑟 =𝜌𝐼𝑙

𝜋∆𝑉∗


Seccions de línies elèctriques (regla pràctica):


Problemes tipus:

1. Es vol comparar el cost material d’una línia elèctrica feta en baixa o alta tensió. La potència en origen de la línia és de 180 MW (xarxa trifàsica) i aquesta té una longitud de 100 km. Per simplicitat considerem la línia com purament resistiva. Si la caiguda de tensió admissible és del 5%, calculeu la secció per 𝑉 = 380 V (baixa) i 𝑉 = 220 kV (alta).

2. L’angle de desplaçament d’una gran planta industrial és de 25 graus a ple funcionament(consumint una potència de 2,3 MW). L’energia de la planta està subministrada per una subestació situada a 4,5 km de distància, que subministra un corrent de 40.000 Volts amb una freqüència de 60 Hz. La resistència de la línia electrica que va de la subestació a la planta és de 5,2 Ohms.

a) Calcular la resistència i reactància de la planta.b) Calcular el voltatge que ha de subministrar la subestació.c) Quines són les pèrdues per transmissió, en valor absolut i en tant per cent?d) Utilitzant un conjunt de condensadors podem rebaixar l’angle de desplaçament a 18 graus. Quin valor de capacitància cal per aconseguir aquesta variació?e) Quin és l’estalvi diari que aconsegueix la planta instal·lant els condensadors, si la companyia cobra el kW·h real a 10 cèntims d’euro i la planta opera 16 hores diàries?

HIDROELECTRICITAT

1. Fonaments físics de la conversió vector aigua – electricitat.

2. Enginys hidràulics i hidroelèctrics.

3. Dimensionament i viabilitat d’una central hidroelèctrica.

4. Generació local vs centralitzada

5. Paper en els models de consum i aplicacions comunes.

6. Problemes pràctics. (sessió problemes)


Paper de l’hidroelectricitat en els models de consum actuals

Recursos totals (pluviometria): 220000 TWh/any

Recursos totals (menys filtracions/absorcions): 50000 TWh/any

Recursos tècnicament accessibles: 15000 TWh/any

Recursos econòmicament accessibles: 9000 TWh/any

Capacitat (potència nominal) mundial (2010): 0,9 TW

Consum mundial actual (2010): 3400 TWh/any

Impacte ambiental de les centrals hidroelèctriques

Impacte “positiu”:

- Font no contaminant (en principi)- No necessita emmagatzematge (disponibilitat contínua del recurs)- Baix cost de manteniment- Manca de impacte térmic (funciona a Tª constant)

Impacte “negatiu”:

- Elevat cost inicial (especialment civil)- Impacte geològic- Impacte paisatgístic- Inundació/desertització de territoris (impacte ecològic associat)- Emissió de gasos per efecte hivernacle (relativament desconeguda)

Enginys hidràulics

Sínies

Molins d’aigua

Estimació dels recursos hidroelèctrics

A partir del volum/cabal disponible:

𝑃𝑜𝑡 = 𝑄 · 𝑔 · ℎ

ቤ𝑃 + 𝜌𝑔ℎ +1

2𝜌𝑣2

𝑟𝑖𝑢

= ቤ𝑃 + 𝜌𝑔ℎ +1

2𝜌𝑣2

𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎

A partir dels recursos pluviomètrics:

𝑃𝑜𝑡 = 𝑝 · 𝐴 · 𝑔 · ℎ

Factor de capacitat:

𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó 𝑚𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙· 100 (rendiment per pèrdues de funcionament)

Tipus de centrals hidroelèctriques

• Central de salt baix: 𝑄 major• Central de salt alt: 𝑄 menor

• Central de corrent: 𝑄 variable• Central d’embassament: 𝑄 fixat• Central de bombeig

Tipus de generadors hidroelèctrics

Turbines d’impuls: la turbina Pelton

Principi funcionament:Energia hidrostàtica (potencial) → Cinètica (aigua) → Cinètica (turbina)

Funcionament òptim:𝑣𝑝𝑎𝑙𝑎 = 0.5𝑣𝑖

Turbines de reacció: la turbina Francis

Principi funcionament:Energia hidrostàtica (potencial) → Cinètica (turbina)

Problemes

1. En una presa que té un salt efectiu de 200 metres fem passar aigua a través d’una canonada forçada de 2 metres de diàmetre amb un cabal de 25 m3/s. (a) Calcular la potència generada per una turbina Francis, si el rendiment de la turbina és del 90%. (b) Calcular la fracció d’aquesta potència que prové de l’energia cinètica de l’aigua. (c) Calcular quina és la pressió de l’aigua una vegada aquesta ha travessat la turbina.

2. Es vol dissenyar una turbina Pelton per a produir una potència de 250 kW. Quines són les dimensions de la turbina i les velocitats de gir que caldrà utilitzar si disposem d’un salt d’aigua de (i) 100 metres, o de (ii) 15 metres (suposant que la turbina té un rendiment del 90%, dos injectors i una relació estandard entre injector i roda de 𝑅𝑡 = 12𝑅𝑖)?

Dimensionament de instal·lacions hidroelèctriques

1. Avaluar recurs disponible (per cabal o pluviometria)

2. Avaluar potència requerida (mitja/pics)

3. Seleccionar tipus de turbina/generador.

Factor de forma: 𝜑 =𝜔 · 𝑃𝑜𝑡

𝜌 𝑔 · ℎ 5/4

Velocitat específica: 𝑁𝑠 = 0,3𝜔𝑃𝑜𝑡

ℎ5/4= 500

𝑣𝑝

𝑣𝑖

𝑅𝑖𝑅𝑡

Problemes

3. Quin tipus de turbina instal·laríeu en un embassament en el qual podem arribar a disposar d’un salt efectiu de fins a 150 metres i que recull les aigües d’una conca hidrogràfica de 2.000 km2 on es dóna una pluviometria mitjana de 700 l/m2 anuals? Quina potència nominal hauria de tenir la instal·lació i quina fracció d’aigua deixem perdre, suposant que la regulem diàriament per a què funcioni les 6 hores del dia de més demanda amb un cabal de 80000 l/s?

4. Feu el dimensionament per una turbina Pelton estàndard en cas que volgueu instal·lar-la en un indret on disposem d’un salt d’aigua de 60 metres i on volem aconseguir una potència de 200 kW.

5. Feu el dimensionament per una turbina Francis estàndard en cas que volgueu instal·lar-la en un indret on disposem d’un salt d’aigua de 60 metres i on volem aconseguir una potència de 50 MW.

Generació local

Dipòsits d’aigua↓

Molins d’aigua↓

Microcentrals hidroelèctriques↓

Minicentrals hidroelèctriques↓

Centrals hidroelèctriques

-E

S C

A L

A +

Amortització?

Manteniment: ~15 €/MWh

ENERGIA EÒLICA

1. Fonaments físics de la conversió vector vent – energia mecànica.

2. Fonaments de l’aerodinàmica de les turbines eòliques.

3. Principis bàsics de funcionament dels aerogeneradors de gran escala.

4. Dimensionament i viabilitat d’un sistema d’energia eòlica.



7. Fabricació d’una turbina eòlica. (sessió pràctica)


Paràmetres i conceptes essencials

Potència disponible: 𝑃𝑜𝑡𝑑𝑖𝑠𝑝 =1

2𝜌𝐴𝑣3

Coeficient de potència: 𝑐𝑝 =𝑃𝑜𝑡𝑎𝑝𝑟𝑜𝑓

𝑃𝑜𝑡𝑑𝑖𝑠𝑝

Corba potència: Gràfic 𝑃𝑜𝑡𝑎𝑝𝑟𝑜𝑓 vs 𝑣

(rendiment energètic)

Recursos totals (vent a nivell mundial): 31·106 TWh/any

Recursos totals (prop de superfície): 3·106 TWh/any

Recursos totals (zones accessibles): 200000 TWh/any

Capacitat (potència nominal) mundial (2013): 0,32 TW



- Font no contaminant (gasos)- Accessibilitat al recurs- Manca d’impacte tèrmic


- Elevat cost inicial (per instal·lacions grans i aïllades)- Dificultat de control del recurs- Impacte paisatgístic- Impacte acústic- Interferències electromagnètiques

Impacte ambiental dels aerogeneradors

Tipus de turbines

D’arrossegament o de sustentació

D’eix horitzontal o vertical

𝐷 =1

2𝑐𝐷𝜌𝐴𝐷𝑣

2

𝐿 =1

2𝑐𝐿𝜌𝐴𝐿𝑣

2

Límits de rendiment teòric. Límit de Betz.

𝑣1 =𝑣0 + 𝑣2

2

𝑎 ≡𝑣0 − 𝑣1𝑣0

𝑃𝑜𝑡 = 2𝑎 1 − 𝑎 2𝜌𝐴1𝑣03

𝑎 = 1/3

𝑐𝑝 𝑚𝑎𝑥=16

27= 0,59

Per continuïtat: 16

27

1

2𝜌𝐴1𝑣0

3

1

2𝜌𝐴0𝑣03

=8

9= 0,89

Per dos rotors en sèrie, 𝑐𝑝 𝑚𝑎𝑥= 0,64

Per turbines d’arrossegament: 𝑐𝑝 𝑚𝑎𝑥= 0,22

(Rendiment “autèntic”)

Aerodinàmica de les pales (turbina de substentació)

𝑐𝐿𝑐𝐷

=𝐿

𝐷

Angle de pèrdua: 𝑐𝐿 → 0 → Ús en els sistemes de frenada

L’angle 𝜙 augmenta amb la distància a l’eix → Correcció de la geometria de la pala

Relació de velocitats en punta (tip-speed ratio)

Temps de pas entre pales = 𝑡𝑏 =2𝜋

𝜔𝑛

Temps de "relaxació" del vent = 𝑡𝑤 =𝑑

𝑣

λ =𝑅𝜔

𝑣=2𝜋𝑅

𝑣𝑛𝑡𝑏=2𝜋𝑅

𝑛𝑑

𝜔 =2𝜋𝑣

𝑛𝑑

Per a optimitzar l’aprofitament energètic, 𝑡𝑏 = 𝑡𝑤

Emplaçament dels aerogeneradors

𝑣ℎ = 𝑣𝑧(ℎ/𝑧)𝛼

𝛼 és funció de l’orografia del terreny

Efecte de l’altitud:

Efecte de l’alçada:

Efecte del terreny:

𝜌 = 𝜌𝑠𝑢𝑝𝑒−ℎ/𝑅𝑇

Dimensionament d’instal·lacions d’energia eòlica

1. Escollir emplaçament

2. Avaluar recursos disponibles (1

2𝜌𝐴𝑣3, mapa de vent, medicions)

3. Avaluar potència (i continuïtat) requerida

4. Dimensionar equip d’emmagatzematge i turbina

Problemes

1. Tenim una torre de medició meteorològica a 80 metres d’alçada de la qualn’obtenim al llarg d’un any la següent distribució de velocitats de vent:

Quina és la potència disponible en aquest emplaçament per un radi de pales de 30 metres? Quina serà la velocitat de gir òptima si hi instal·lem un aerogenerador de 3 pales? I si és de 2 pales?

2. Tenim medicions de vent fetes amb una torre estàndard de 10 metres d’alçada:

Si volem instal·lar en aquest emplaçament un aerogenerador que ens doni una potència de 1 MW, calculeu quina és l’alçada mínima que haurà de tenir (suposant un rendiment del 30%, un exponent d’alçada 𝛼 = 0,2 i una relació 3:1 entre l’alçada i el radi de les pales)?

v(m/s) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Prob. 0,04 0,1 0,13 0,14 0,13 0,12 0,11 0,08 0,06 0,04 0,03 0,02

v(m/s) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Prob. 0,12 0,17 0,22 0,19 0,12 0,08 0,04 0,02 0,02 0,01 0,01 0,00

3. Indiqueu quins elements s’haurien de considerar per trobar el millor emplaçament en el mapa per col·locar-hi 10 aerogeneradors de 60 metres d’alçada.

Generació local

Amortització?

PVP: 5.900 €

Manteniment: ~20 €/kW

ENERGIA SOLAR TÈRMICA

1. Disponibilitat de la radiació solar.

2. Col·lectors i concentradors solars.

3. Dimensionament i viabilitat d’un sistema d’energia solar tèrmica.



6. Fabricació d’un col·lector solar. (sessió pràctica)


Conceptes i paràmetres

Aprofitament actiu (col·lectors de baixa o alta temperatura) vs passiu.

Radiació directa vs difusa

Flux incident/irradiat: 𝐹 =𝑃𝑜𝑡è𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡/𝑖𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑎

À𝑟𝑒𝑎

Constant solar (𝐹𝐶): flux incident de radiació en l’exterior de l’atmosfera (~1400 W/m2)

Solarímetre (o piranòmetre): Mesura el flux solar, per comparació amb efectes elèctrics.

Especte solar: Distribució del flux incident en funció de la la freqüència de radiació.

Recursos totals (a nivell mundial): 780·106 TWh/any

Recursos totals (zones accessibles): 50·106 TWh/any

Potència nominal mundial (2011): 0,3 TW


Càlcul de la insolació directa

Declinació de l’n-èssim dia de l’any: 𝛿 = 23,5 sin 360284+𝑛

365

𝐹𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 = 𝐹𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 · cos 𝛼

Càlcul de la insolació directa

Mapa insolació (en kWh/m2dia)

Col·lectors solars: tipus

Col·lectors solars: càlcul de pèrdues i rendiments

Repàs: les pèrdues (el pas) de calor es pot donar per conducció, convecció i radiació

Resistència tèrmica 𝑅𝑇 =∆𝑇

𝑃𝑜𝑡: oposició d’un cos/material al pas de calor a través seu.

Conducció: 𝑅𝑇1 =∆𝑥

𝑘𝐴

Convecció: 𝑅𝑇2 =ℎ

𝐴≈

5,7+3,8𝑣𝑣𝑒𝑛𝑡

𝐴(per superfícies exteriors)

Radiació: 𝑅𝑇3 =1

𝜎𝑒𝐴 𝑇2+𝑇𝑎𝑚𝑏2 𝑇+𝑇𝑎𝑚𝑏

(𝜎 = 5,67 · 10−8Wm2/K4)

Resistència total: 𝑅𝑇 =1

1

𝑅𝑇1+

1

𝑅𝑇2+

1

𝑅𝑇3

Balanç tèrmic del col·lector:

𝐹𝑛𝑒𝑡 = 𝐹𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 · 𝜏𝑒𝑥𝑡 · 1 − 𝜏𝑖𝑛𝑡 −∆𝑇

𝐴 · 𝑅𝑇

𝜏𝑒𝑥𝑡: transmitància coberta𝜏𝑖𝑛𝑡: transmitància placaEquilibri tèrmic: 𝐹𝑛𝑒𝑡 =0 → 𝑇𝑚𝑎𝑥

Col·lectors solars: càlcul de pèrdues i rendiments

Rendiments

Per a augmentar el rendimentinteressa 𝜏𝑒𝑥𝑡 gran i 𝜏𝑖𝑛𝑡 petit(per ona curta)., a la vegada que una emissivitat de la placa baixa (per ona llarga).

Per un fluid estàtic: 𝑃𝑜𝑡𝑢𝑡𝑖𝑙 =1

∆𝑡𝑚𝑐∆𝑇 = 𝑚𝑐

∆𝑇

∆𝑡

Per un fluid en moviment: 𝑃𝑜𝑡𝑢𝑡𝑖𝑙 =1

∆𝑡𝑚𝑐∆𝑇 = 𝑐𝑄∆𝑇 (∆𝑇: diferència entrada-sortida)

Rendiment d’intercanvi: η𝑖 =𝑃𝑜𝑡𝑢𝑡𝑖𝑙

𝐴·𝐹𝑛𝑒𝑡Rendiment del col·lector o placa: η𝑝 =

𝑃𝑜𝑡𝑢𝑡𝑖𝑙

𝐴·𝐹𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎

Usos de l’energia solar tèrmica

Usos convencionals

Generació fototèrmica

Rendiment d’un concentrador: (1 − 𝜏𝑚) · 𝜏𝑒𝑥𝑡 · 1 − 𝜏𝑖𝑛𝑡 −𝐴𝑒𝜎 𝑇𝑝

4 − 𝑇𝑎𝑚𝑏4

𝑁 · 𝐴𝑚 · 𝐹𝑚

Usos de l’energia solar tèrmica

Generació de treball mecànic Estanys solars

Altres

Problemes

1. Determineu l’orientació ideal a dia d’avui per una placa solar pel punt de La Terra onens trobem.

2. Una placa de 2 m2 presenta unes resistències tèrmiques de 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑑 = 0,15 𝐾/𝑊, 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣 = 0,2 𝐾/𝑊, 𝑅𝑟𝑎𝑑 = 0,25 𝐾/𝑊 i unes transmitàncies de 𝜏𝑒𝑥𝑡 = 0.8 i 𝜏𝑖𝑛𝑡 =0.15. Si el rendiment de transferència és del 85% i la placa, calculeu (i) la potènciaútil que s’extreu de la placa un dia en què 𝑇𝑎𝑚𝑏 = 21º𝐶, 𝐹𝑐 = 600𝑊/𝑚2 i la placa treballa a 55º𝐶, (ii) el cabal d’aigua necessari per tal que l’aigua passi de 35º𝐶 a 50º𝐶 en travessar la placa, (iii) la temperatura a què sortirà l’aigua de la placa si deixem el circuit encés per la nit, suposant que la temperatura d’entrada i l’ambientcontinuen sent les mateixes.

3. Calcular la temperatura d’equilibri i el rendiment d’un concentrador solar treballanta 400 ºC per una relació de concentració (𝑁 · 𝐴𝑚/𝐴) igual a 100 (“100 sols”), suposant que les característiques dels materials són 𝜏𝑚 = 0.15, 𝜏𝑒𝑥𝑡 = 0.85, 𝜏𝑖𝑛𝑡 =0.1, 𝑒 = 0.9. (Nota: Considereu una temperatura ambient de 25 º𝐶 i 𝐹𝑐 =600 𝑊/𝑚2).

Generació local

Amortització?

1500 € 1300 € 900 €

Manteniment: ~5% anual instal·lació

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTÀICA

1. Fonaments físics de la conversió solar - electricitat.

2. Dimensionament i viabilitat d’un sistema d’energia solar fotovoltàica.





Impacte ambiental de les instal·lacions solars fotovoltàiques


- Font no contaminant- Disponibilitat del recurs senzilla- Baix cost de manteniment


- Elevat cost de fabricació- Ús de materials i components exòtics- Impacte paisatgístic- Baix rendiment energètic- Impacte tèrmic

Principi de funcionament d’una placa fotovoltàica

Dinàmica electró-forat (per cristalls de Si): Gap d’energia: 1,1 eVTemps recombinació: 10−6 s Densitat d’electrons: 1010 e-/cm3

Existència de la banda de conducció i de valència en els materials:

Principi de funcionament d’una placa fotovoltàica

Unió p-n

Semiconductors tipus n:

Semiconductors tipus p:

Dinàmica generació (cristalls de Si):Gap d’energia: 0,8 eVGruix de la unió: 300 nmCamp elèctric a la unió: 106 V/m

Relació corrent voltatge. Optimització de la potència

Per una cel·la de Si típica (monocristall):

𝑅 = 0 → 𝐼 = 0 → 𝑃𝑜𝑡 = 0𝑅 → ∞ → 𝑉 → 0 → 𝑃𝑜𝑡 = 0

La condició òptima de potencia s’estableix per 𝑅 = 𝑅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎

Si la placa ha d’anar connectada a una bateria intentarem col·locar plaques en sèrieper tal que la suma de V’s correspongui a la tensió de treball de la bateria.

Eficiència i pèrdues en les plaques FV

Fonts de pèrdues:

- Pèrdues per energia fotònica de l’espectre inferior al gap.- Pèrdues per energia fotònica de l’espectre superior al gap (reconversió en calor).- Pèrdues en el procés de col·lecció de fotons.- Pèrdues per reflexió a la placa.- Pèrdues en els contactes metàl·lics de connexió al circuit.- Pèrdues en el circuit de connexió.- Pèrdues en les juncions del material (cas de policristalls o materials amorfs)

Problemes

1. Donada la següent relació intensitat-voltatge per una placa, determinar (i) la potència màxima que se’n pot extreure, i (ii) la resistència a la qual cal connectar la placa per obtenir aquesta potència. Feu-ho per a cada Tª de funcionament.

2. Volem fer funcionar l’enllumenat d’un habitatge mitjançant una bateria de 12 V amb 40 Ah de carga màxima. L’enllumenat s’utilitza diàriament durant 5 hores amb una intensitat de càrrega de 3 A. Dissenyeu un sistema fotovoltàic capaç de satisfer aquesta demanda usant plaques típiques de silici (amb un voltatge òptim de 0,5 V). Suposeu un rendiment de placa del 15%, unes pèrdues de transport del 20% i que disposem d’una insolació diària de 6 hores amb 500 W/m2. Com s’hauria de redissenyar el dispositiu si volem multiplicar per 2 el consum?

Generació local

Amortització?

1500 €

Manteniment: 20 €/kW·any

EMMAGATZEMATGE D’ENERGIA

1. Emmagatzematge químic i electroquímic: piles i batèries, vector hidrogen.

2. Emmagatzematge elèctric: condensadors i supercondensadors.

3. Emmagatzematge mecànic: vectors aigua i aire comprimit, KERS.

4. Emmagatzematge tèrmic.

5. Eficiència i viabilitat dels sistemes d’emmagatzematge actuals.



Propietats d’emmagatzematge dels diferents sistemes

Emmagatzematge electroquímic: piles i bateries

Calcula la densitat d’energia d’una bateria de mòbil(i) …a partir de les especificacions tècniques de la bateria (3,7 V,

750 mAh, 17 grams).(ii) …a partir de l’energia associada a la reacció redox

corresponent.Expliqueu d’on provenen les diferències entre els dos valors.

Positiu: bona eficiència; temps de vida mitjà; densitat d’energia elevadaNegatiu: impacte ambiental elevat

𝐸 = 𝑉𝑄

Emmagatzematge elèctric: condensadors i supercondensadors

Calcula la densitat d’energia del condensador de l’esquerra i del supercondensadorde la dreta.

𝐸 =1

2𝐶𝑉2 (general)

𝐸 =1

2

𝜖𝐴

𝑑𝑉2 (plaques planes)

Positiu: bona eficiència; temps de vida elevat; Negatiu: densitat d’energia baixa (en progrés); impacte ambiental elevat

Emmagatzematge mecànic I: aigua i aire comprimit

Calcula la densitat d’energia del sistema de bombeig hidroelèctric de la fotografia.

Positiu: bona eficiència; temps de vida elevat; impacte ambiental baixNegatiu: densitat d’energia molt baixa

Calcula la densitat d’energia d’un sistema que comprimeix adiabàticament el gas des de 1 atm fins50 atm (coeficient adiabàtic=1.4).

𝐸 = 𝑚𝑔ℎ

𝐸

𝑚= 𝑐𝑣𝑇

𝑃

𝑃0

𝛾−1𝛾

− 1

Emmagatzematge mecànic II: batèries de rotació (KERS)

Positiu: bona eficiència; temps de vida elevat; densitat d’energia alta; impacte ambiental baix;Negatiu: temps d’emmagatzematge curt

Calcula la densitat d’energia d’un sistema KERS de 20 cm de radi suposant que oscil·la a 50000 rpm (revolucions típiques d’un F1).

𝐸

𝑚=1

4𝑟2𝜔2

Per a mantenir l'hidrogen líquid (densitat: 76 Kg/m3) calen temperatures molt baixes. Per tant, un dels principals problemes per dissenyar un cotxe d'hidrogen és el de construir un tanc aïllant pel combustible. i) Quin volum i quina àrea tindria un dipòsit cúbic que contingui l'hidrogen necessari per a

recórrer 500 Km en cotxe? Quina energia cal per a escalfar l'hidrogen del tanc un graucentígrad si el calor específic de l'hidrogen líquid és de l'ordre de 10 KJ/Kg K?

ii) Quin gruix hauria de tenir el tanc (fet d'un material de conductivitat tèrmica 0,01 W/m·K) per a aconseguir que el pas de calor de l'interior (-200ºC) cap a l'exterior (20ºC) sigui prou petit com per a què la temperatura de l'hidrogen només baixi en un graucada hora? Quin volum (i quina massa) de material representa el gruix anterior?

Una opció de futur: l’hidrogen

Densitat d’energia hidrogen: 142.500 J/g

Positiu: bona eficiència; impacte ambiental baix (per hidrogen)

Negatiu: impacte tèrmic; dificultats tecnològiques

numbers, not adjectives - uab...

Documents