Desalación de agua de mar mediante energías renovables: Dimensionado en Canarias

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Máster Sistemas de Energía Térmica Desalación de agua de mar mediante energías renovables: Dimensionado en Canarias Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Francisco Javier Sanz Vargas Tutor: Lourdes García Rodríguez Sevilla, 2019 ii iii Proyecto Fin de Máster Sistemas de Energía Térmica Desalación de agua de mar mediante energías renovables: Dimensionado en Canarias Autor: Francisco Javier Sanz Vargas Tutor: Lourdes García Rodríguez Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 iv v Proyecto Fin de Máster: Desalación de agua de mar mediante energías renovables: Dimensionado en Canarias Autor: Francisco Javier Sanz Vargas Tutor: Lourdes García Rodríguez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 vi El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros viii ix Índice Índice ix Índice de Tablas xi Índice de Figuras xii Notación xiv 1 Introducción 1 2 Fundamentos de energía solar 2 2.1 Energía solar térmica 2 2.2 Energía solar fotovoltaica 9 2.3 Energía eólica 14 3 Desalación mediante energía renovable 20 3.1 Introducción 20 3.2 Evaluación de desarrollos recientes en desalación solar 22 3.2.1 Desalinización basada en destilación de membrana (MD) 22 3.2.2 Desalación mediante energía solar 23 3.2.3 Energía solar térmica para la producción de agua y electricidad 23 3.2.4 Desalación solar térmica: destilación vs ósmosis inversa 24 3.2.5 Tecnología de desalación solar fotovoltaica 30 3.2.6 Soluciones viables para un mercado potencial 31 3.2.7 Tecnologías candidatas para el mercado potencial 33 4 Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 36 4.1 Caracterización simplificada del recurso eólico: distribución de Weibull 36 4.2 Cálculo simplificado de la producción anual de un aerogenerador 40 4.3 Métodos de cálculo más precisos para la producción anual 42 4.4 Producción anual por localización para cubrir la demanda de desalación 44 5 Cálculo estimado de producción fotovoltaica 56 5.1 Cálculo de la superficie necesaria para instalación fotovoltaica 56 5.2 Comparativa de los recursos eólico y fotovoltaico 57 6 Conclusiones 58 7 (APÉNDICE) Tecnología de Ósmosis Inversa (RO) 59 7.1 Descripción del proceso 59 7.2 Componentes principales 62 Referencias 64 Introducción 1 1 INTRODUCCIÓN Existe un desequilibrio entre la demanda y el suministro de agua de calidad para abastecer a la población, la agricultura y la industria producido por el aumento de la población y los cambios climatológicos de algunas regiones del planeta. La gran necesidad de agua potable junto con el alto potencial energético disponible hace posible el desarrollo de métodos de producción de energía sostenible basados en desalinización de agua de mar, convirtiéndose en una tecnología cada vez más atractiva y necesaria. Existen diversas tecnologías utilizadas a escala industrial para la desalación de agua de mar. Entre todas las tecnologías, la ósmosis inversa de agua del mar es la más extendida internacionalmente. Actualmente es una tecnología madura y se puede desarrollar en todas las zonas costeras del mundo con recursos hídricos naturales limitados. Los avances en investigación y desarrollo respecto a esta tecnología son continuos y han permitido competir con otras tecnologías como la destilación. Una de las innovaciones más recientes tiene como objetivo reducir a gran escala el consumo de energía y minimizar los efectos negativos de incrustación y ensuciamiento en las membranas. A escala industrial existen varias tecnologías para llevar a cabo la desalinización del agua de mar, las cuales se dividen en dos categorías: procesos térmicos y procesos de membrana. En relación a los procesos térmicos se encuentran MSF (Multi-Stage Flash distillation), MED (Multi-Effect Distillation) y VC (Vapour Compression), que cuando se trata de termocompresión siempre está conectada a una planta MED. Respecto a los de membrana el más extendido es la ósmosis inversa (RO), seguido de la electrodiálisis ED para agua salobre. Las estadísticas del mercado de desalación actualizadas hasta el año 2016, muestran que la capacidad de los procesos de membrana ha crecido de forma elevada durante el transcurso de los años, destacándose muy por encima de los procesos térmicos desde 2006 hasta 2016. La desalación mediante membrana semipermeable necesita menos energía que la desalinización térmica, por lo cual es una tecnología más atractiva y económicamente viable. La esencia del presente proyecto se centra en el atractivo del uso de energías renovables para la desalación de agua de mar, ya que existen zonas con escasez de agua desalinizada que cuentan con buen potencial eólico y solar principalmente. Además de factores medio ambientales, se produce simultaneidad estacional entre la demanda de agua potable y la disponibilidad de las energías renovables que hacen de esta sinergia una oportunidad interesante para la producción de energía de manera sostenible. De esta forma las plantas de ósmosis inversa o electrodiálisis tendrán la ventaja de incorporar sistemas eólicos o fotovoltaicos dependiendo del factor meteorológico que predomine, y sus principales elementos serán: un sistema de generación eléctrica (parque eólico o fotovoltaico), un sistema de almacenamiento de la energía, y una planta desaladora de agua para la producción de agua potable necesaria. El análisis económico depende de diversos criterios e hipótesis de partida y resulta complejo debido a la integración de numerosos factores a considerar, pero principalmente el coste del agua producida en una planta de desalación depende del coste debido a la inversión inicial, el coste de mantenimiento y operación, y el coste de la energía que se consume en el proceso. Fundamentos de energía solar 2 2 FUNDAMENTOS DE ENERGÍA SOLAR 2.1 Energía solar térmica El sol es un recurso autóctono, disponible, abundante y gratuito que permite convertir la radiación incidente en calor a través del agua o el aire, para transmitirlo a procesos de generación de otro tipo de energía, principalmente eléctrica. Transmite a la Tierra una energía 4.000 veces superior a la cantidad necesaria para el ser humano, aunque de forma discontinua, ya que varía debido a diversos factores como el clima y la época del año. La radiación solar que incide en la superficie terrestre satisface las necesidades de energía primaria en el mundo, y posee un valor promedio de 1,3 kW/m², aunque se debe tener en cuenta que dicho valor se ve disminuido por los fenómenos de reflexión hasta 1 kW/m². Se encuentra limitada por variaciones estacionales, geográficas, diurnas y condiciones atmosféricas adversas. Esta radiación es una energía de baja densidad no controlable y generalmente desacoplada del consumo, sin embargo, es una energía gratuita descentralizada y disponible para los potenciales usuarios. Su conversión en energía útil, eléctrica o térmica cuenta con una serie de limitaciones técnicas que afectan directamente al rendimiento necesario, limitaciones económicas con respecto a otras tecnologías convencionales, y limitaciones espaciales por superficie necesaria. La energía solar térmica permite disminuir el consumo de energía primaria y las emisiones de CO2, por lo que supone una mejora de la eficiencia energética de numerosas aplicaciones como industrias y edificios. Algunas de las aplicaciones de esta energía corresponden a la producción de agua caliente sanitaria (ACS), calentamiento de agua de piscina, y climatización de edificios. Se ha usado como fuente energética desde la antigüedad; desde hace más de 2.000 años se ha utilizado la radiación solar para la extracción de sal del agua del mar, e incluso en la civilización griega se apreciaban técnicas catalogadas como sistemas pasivos de captación de energía solar en el diseño de viviendas. Actualmente las técnicas para el aprovechamiento de energía solar son muy diferentes, y cuentan con un gran avance tecnológico comprendido desde un sencillo secado solar de granos, hasta las técnicas más específicas de conversión directa en electricidad mediante paneles fotovoltaicos. Los captadores solares absorben la radiación solar incidente y la transforman en calor aprovechable con múltiples diseños tecnológicos distintos, pudiendo alcanzar temperatura muy elevadas. La tecnología solar es una tecnología madura que se ha implantado en el sector de la edificación durante el transcurso de los años, y su alta fiabilidad ha permitido su integración en la mayor parte de instalaciones domésticas, terciarias e industriales. El dispositivo que capta la radiación, la transfiere a un fluido caloportador para su conversión en energía térmica de uso directo en determinados procesos como en el caso de una piscina. También se pueden encontrar aplicaciones de uso indirecto mediante un intercambiador de calor, o la generación de electricidad. Los sistemas de conversión de la energía solar se pueden clasificar en: 1). Activos y pasivos 2). Térmicos y fotovoltaicos 3). Con concentración y sin concentración Fundamentos de energía solar 3 A) SISTEMAS ACTIVOS a) Aplicaciones a alta temperatura - Centrales termosolares: Utilizan dispositivos denominados colectores para captar la radiación solar y llevar a cabo la transformación térmica por encima de los 500ºC aprovechando el calor de la radiación incidente. Las centrales termosolares tienen el objetivo de producir energía eléctrica a gran escala, para lo cual necesitan captadores parabólicos o elevado número de espejos orientados hacia un mismo punto. Figura 1. Esquema de proceso central termosolar [1]. El calor del absorbedor se transmite a un fluido portador, principalmente sodio fundido o vapor de agua a presión ya que debe soportar elevadas temperaturas. Este fluido circula en un circuito cerrado, y es transportado a un sistema de almacenamiento para utilizarse en un sistema de generación de vapor que alimenta a una turbina, la cual actuará sobre un alternador para obtener finalmente energía eléctrica. La aplicación más frecuente es el receptor central, compuesto por un campo de espejos orientables que reciben el nombre de heliostatos. Estos concentran la radiación incidente sobre una caldera situada en el punto alto de una torre. El sistema de orientación de los espejos al sol debe ser constante, por lo que deben incluir soportes móviles y contar con un sistema informático que determine de manera precisa la posición en cada momento del día. Fundamentos de energía solar 4 Figura 2. Central termosolar en Chile [1]. - Hornos solares: Son aplicaciones compuestas por espejos parabólicos (heliostatos) que permiten concentrar en un foco con un área del tamaño de una olla los rayos reflejados de la radiación incidente. Los hornos solares alcanzan muy altas temperaturas dependiendo del proceso instalado (hasta 6.000ºC), y suelen destinarse a la generación de electricidad y fines experimentales. Tipos de procesos: - Producción de aire caliente en torres solares mediante receptores metálicos con temperatura aproximada de 1.000 ºC. - Producción de hidrógeno mediante la ruptura de moléculas de metano a una temperatura de 1.400ºC aproximadamente. - Prueba de materiales que se utilizan en ambientes extremos como por ejemplo reactores nucleares o vehículos especiales con un nivel de temperatura hasta los 2.500 ºC. - Producción de nanomateriales por sublimación solar inducida con temperaturas hasta los 3.500 ºC y enfriamiento controlado; por ejemplo, nanopartículas de cinc o nanotubos de carbono. Los hornos solares cuentan con un factor limitante como energía renovable en la Tierra, que corresponde a la dependencia de un clima soleado, aunque pueden combinarse con otros sistemas de almacenamiento termal para producir energía durante los días nublados o durante la noche. Se pueden utilizar para proporcionar energía en procesos industriales. El horno solar existente más grande es el horno solar de Odeillo, inaugurado en el año 1970 y situado en Font-Romeu-Odeillo-Via (Pirineos Orientales, Francia). Consta de un conjunto de espejos planos para recolectar la luz del sol, reflejándola sobre un gran espejo curvo. Se muestra a continuación una imagen de su configuración, tomada de http://ruta-33.blogspot.com/2014/06/el-mas-grande-horno-solar-en- odeillo.html: Fundamentos de energía solar 5 Figura 3. Horno solar en Odeillo [2]. - Concentrador con motor Stirling: Esta aplicación se compone de un concentrador solar y un motor que funciona mediante calor aplicable a un fluido, o una microturbina acoplada a un alternador. El fluido que recibe el calor se localiza en el interior de un receptor y alcanza una temperatura aproximada de 750 ºC. La energía obtenida se utiliza para generar energía a través del motor A continuación, se muestra un esquema del sistema disco parabólico con motor Stirling, junto con todos los elementos que lo componen: Figura 4. Esquema de configuración disco parabólico con motor Stirling [3]. Fundamentos de energía solar 6 Los sistemas disco-motor se corresponden con la tecnología solar más antigua, usándose los ciclos de Rankine y Stirling desde el año 1800 en varias empresas de sistemas solares. En año 1970 y principios de 1980 se desarrolló la tecnología moderna a través de empresas americanas aeroespaciales, pero contaban con estructuras pesadas de elevado coste. Actualmente se considera una tecnología inmadura, pero representa muchas ventajas con respecto a otras tecnologías que aprovechan el recurso solar, debido principalmente a su simplicidad técnica y modularidad. Cuenta con un alto grado de automatización, ausencia de fluido y un elevado rendimiento que le permite transformar por encima del 25% de la radiación incidente en energía eléctrica, por ello, las centrales de disco parabólico gozarán de un fuerte protagonismo de cara al futuro una vez resueltos los problemas de la tecnología por no estar suficientemente desarrollada. Las plantas de disco parabólico se componen de multitud de unidades autónomas que se conectan a motores Stirling situados en el foco. Se consiguen altas relaciones de concentración, incluso por encima de 3000 gracias a la curva parabólica del concentrador y al pequeño cociente entre distancia focal/diámetro (f/D=0.6). Una ventaja de esta aplicación es que permite alcanzar elevadas temperaturas de operación entre 650 y 800 ºC, consiguiendo eficiencias en el motor superiores a 40% en ciertos casos. El objetivo de estas centrales es la generación de energía eléctrica de forma directa mediante el motor Stirling, haciendo uso de uno o varios paraboloides de revolución que concentran en un foco puntual (receptor), los rayos incidentes sobre la superficie. El motor Stirling cuenta con pistones en movimiento y la combustión producida es externa, por lo que la cámara de combustión se encuentra fuera de los cilindros. b) Aplicaciones a media temperatura (Procesos industriales): Si se desea alcanzar una temperatura superior a 100ºC se debe concentrar la radiación solar mediante lentes o espejos. Una superficie puntual denominada foco sobre la que se canaliza la radiación, eleva la temperatura notablemente en los colectores planos (entre 200 y 500ºC). Dicha superficie puede tener cualquier forma según la técnica aplicable. Por ejemplo, para una concentración media (T<300ºC), lo más adecuado es utilizar un colector cilindro-parabólico, que consta de un espejo en el que se refleja la radiación incidente sobre un tubo de vidrio que se encuentra en la línea focal, el cual engloba al absorbedor y al fluido portador de calor. La casuística más adecuada para la concentración de los rayos se basa en orientar los colectores al sur (teniendo la referencia del hemisferio norte) y con una inclinación igual a la latitud del lugar. Se debe implementar un dispositivo que permita girar a los espejos durante el día sincronizado con el movimiento aparente del sol. Los colectores cilindro-parabólicos cuentan con numerosas ventajas frente a los planos: tienen una menor superficie de absorción, menores pérdidas de calor, operan a temperaturas superiores (interesantes posibilidades de utilización industrial, desalación de agua de mar, refrigeración y climatización) y requieren depósitos de acumulación más pequeños, pero tienen el inconveniente de ser más caros. Una aplicación industrial interesante es la denominada granja solar, que está destinada a la producción de calor o electricidad mediante una asociación de colectores que pueden alcanzar elevadas temperaturas para posteriormente aplicarla en procesos térmicos. Fundamentos de energía solar 7 Figura 5. Esquemas de procesos industriales [1]. c) Aplicaciones a baja temperatura (Industria y edificación): Son sistemas que se utilizan para calentar el agua sin llegar al punto de ebullición, con la ayuda de un conjunto de elementos para suministrar agua caliente (sistemas solares activos), entre los que se pueden destacar: - Subsistema colector: compuesto por paneles o placas con estructura plana y metálica que engloban un conjunto de tubos de color negro mediante los que circula agua. Están encargadas de captar la radiación incidente y tienen un cristal en la parte superior que facilita el paso de los rayos, al mismo tiempo que hace la función de aislante térmico, induciendo un efecto invernadero artificial. El color negro de los tubos permite absorber la máxima radiación solar. - Subsistema de almacenamiento: son depósitos donde se almacena el agua caliente que proviene de los paneles. - Subsistema de distribución: instalación de tuberías y accesorios que permiten transportar el agua caliente desde el colector hasta los depósitos de almacenamiento y posteriormente desde estos depósitos a los puntos de consumo. Estos sistemas necesitan un equipo convencional de apoyo como calentadores eléctricos o a gas, ya que no garantizan por completo las necesidades energéticas. Estos podrán suplir la falta de energía debido principalmente a condiciones climatológicas. Fundamentos de energía solar 8 Figura 6. Esquemas de procesos en la edificación [1]. Las aplicaciones de baja temperatura más destacadas son: - Producción de agua caliente sanitaria - Calefacción - Refrigeración - Piscinas - Producción de agua caliente - Secado B) SISTEMAS PASIVOS No necesitan ningún dispositivo para captar la energía solar, el aprovechamiento del recurso se logra aplicando distintos elementos arquitectónicos, reduciendo así, en lo posible, el consumo energético y minimizando el impacto ambiental. El elemento más característico de un sistema de conversión de energía solar a energía solar térmica es el sistema de captación, y la configuración del sistema de captación depende fundamentalmente del nivel térmico necesario en el proceso. Como la densidad de radiación solar disponible es pequeña (inferior a 1 kW/m2), si el nivel de temperatura requerido es elevado (superior a 100 ºC), hay que considerar sistemas que reduzcan las pérdidas térmicas al máximo (incorporando el vacío en el diseño del sistema) y/o aumentando la densidad de radiación disponible mediante técnicas de concentración. Cuando se tienen niveles de temperaturas por debajo de 80ºC se usan los captadores solares planos con una superficie negra o selectiva. Sin embargo, con temperaturas superiores a dicho valor se utilizan tubos de vacío sin concentración hasta los 120 ºC, y sistemas de concentración por encima de los 120 ºC, consiguiendo de esta forma un aumento de la concentración por tener mayor temperatura. Entre los sistemas de captación solar destacan: sistemas de radiación no vidriados que calientan agua de piscinas o spa; captadores solares de vacío; captadores solares con sistemas de concentración de radiación de grandes instalaciones; o captadores solares térmicos con sistemas de seguimiento del sol, los cuales rotan según se mueva el sol durante el día para obtener la mayor cantidad de energía posible. VENTAJAS DE UN SISTEMA SOLAR TÉRMICO Las ventajas que diferencian a un sistema solar térmico son: o No contaminación; es una energía limpia a diferencia de los combustibles fósiles. o Fuente de energía ilimitada; el sol es una fuente inagotable de energía renovable. o Alto grado de alcance; el sol llega donde no llegan los tendidos eléctricos. o Mantenimiento mínimo; el mantenimiento es sencillo y casi inexistente Fundamentos de energía solar 9 o Ahorro; no sólo energético, también económico. DESVENTAJAS DE UN SISTEMA SOLAR TÉRMICO Las desventajas de un sistema solar térmico son: o Variabilidad en los patrones y cantidad radiación; los niveles de radiación son muy variables. o Inversiones elevadas; el mantenimiento es mínimo pero la inversión inicial importante. o Limitación respecto a estética de edificios. o Espacio; si el objetivo es a gran escala, se necesita un amplio terreno para la instalación, lo cual, resulta complejo y caro. 2.2 Energía solar fotovoltaica La energía solar fotovoltaica consiste en un proceso de conversión directa de las partículas de luz, denominadas fotones, en electricidad a través de un material semiconductor. Un semiconductor es una sustancia que posee una conductividad intermedia entre un aislante y un conductor, y que según sus características mediante un proceso de dopado (adición de impurezas que afectan a propiedades eléctricas), se puede dividir en dos tipos: tipo “p” y tipo “n”. Añadiendo impurezas de boro al silicio, se consigue un semiconductor tipo p, en cambio añadiendo impurezas de fósforo se obtiene un semiconductor n. El elevado coste de estos materiales tiene una fuerte dependencia con el alto grado de pureza necesario. Una célula fotovoltaica está compuesta por un disco monocristalino de silicio dopado de tipo n en la superficie expuesta al sol, y de tipo p en la parte inferior completada mediante contactos eléctricos que permiten el paso de la corriente eléctrica por el circuito exterior. Un módulo fotovoltaico se compone de dichas células fotovoltaicas conectando generalmente 36, 72 o 108 de ellas entre dos láminas de vidrio con la función de protegerlas de la intemperie. Este módulo tiene capacidad de proporcionar una corriente continua de 18 V y una iluminación de 1 kW/m². Conectando un conjunto de módulos fotovoltaicos sobre un soporte mecánico se construye un panel fotovoltaico. Según la conexión de dichos módulos (serie o paralelo) puede conseguirse cualquier valor de tensión y de intensidad de corriente. Un módulo fotovoltaico está protegido del exterior y vinculado al mismo mediante los siguientes elementos estructurales: - Cubierta frontal: se compone de un vidrio transparente con una transmisividad del 95% a la radiación incidente. - Cubierta posterior: es una lámina delgada de polímero (tedlar) opaca a la radiación solar. Frecuentemente, se coloca un polímero transparente añadiendo un vidrio para conseguir una mejor integración en la cubierta y fachadas de edificios que tienen aplicaciones de conexión a red. - Encapsulante: es un polímero transparente compuesto por etilen-vinil-acetato que permite la unión de las células y las ajusta entre las dos cubiertas. Su función es evitar huecos y permitir el ensamblaje del módulo. - Diodos de paso y diodos de bloqueo. Los primeros se disponen en paralelo de asociaciones de células en serie para evitar el deterioro de una célula sombreada por la descarga de potencia sobre la misma. Los segundos tienen la función de proteger a sistemas fotovoltaicos aislados con intensidades inversas que proceden de la batería en el transcurso de la noche, y además, bloquear los flujos de intensidad inversa en ramas colocadas en paralelo deterioradas o sombreadas. - Marco: se coloca en perfiles rígidos de aluminio sellados con juntas de neopreno y silicona. - Cajas de conexiones: se encuentran en la cara posterior del módulo, y contienen un polo positivo y un Fundamentos de energía solar 10 polo negativo. Resulta complejo determinar la durabilidad de un módulo fotovoltaico, sin embargo, pueden superar los 30 años de vida si está homologado y cumple la normativa vigente, pero reduce sus prestaciones en un 20- 25% respecto del primer día cuando supera 25 años. Un módulo fotovoltaico es una aplicación característica que no posee combustibles ni ruido, además de no requerir partes móviles, simplemente la célula fotovoltaica expuesta a la radiación para absorber la energía contenida en los fotones. Estos ponen en movimiento los electrones que formarán un campo eléctrico interno para generar la corriente eléctrica continua en la superficie de la célula. Este efecto generado recibe el nombre de efecto fotovoltaico, y cuenta con un valor bajo de rendimiento, alcanzando un valor máximo del 25% aproximadamente en la transformación de la energía luminosa en eléctrica. En este proceso la energía obtenida posee un valor bajo de tensión entre 380 y 800 V en corriente continua. Para la transformación de dicha corriente en alterna se utiliza el inversor. Es necesario disponer de un acumulador en una instalación fotovoltaica para almacenar la energía eléctrica que no se utiliza en energía química. No obstante, se puede encontrar conectado en paralelo con la red en caso de usar la energía de la misma cuando no haya radiación solar. Los paneles solares deben instalarse en lugares adecuados, es decir, aquellos que se encuentran expuestos al sol durante el mayor número de horas posible y con una orientación adecuada, factores de los cuales dependerá el rendimiento de la instalación. Las diferentes formas de disponer de electricidad se dividen en: - electricidad directa - almacenada en baterías (energía eléctrica descentralizada) - electricidad inyectada en la red. Un aumento de producción de energía está ligado a tres factores clave: una reducción de la temperatura del panel fotovoltaico, una orientación al sur, y la mayor cantidad de radiación incidente posible, por lo que serán dos objetivos en el diseño de una instalación. Con respecto a la ubicación, su rendimiento disminuirá cuanto más tiempo se encuentre expuesto a sombras. Los componentes a destacar en una instalación fotovoltaica son el inversor, la batería y el regulador de tensión. El inversor se encarga de transformar la corriente continua en alterna, la batería almacena la energía y el regulador controla y protege la batería. Existen principalmente dos grupos de instalaciones fotovoltaicas: - Aisladas de la red: instaladas en lugares sin acceso a la red convencional, y preparadas para cubrir las necesidades de energía eléctrica. Como ejemplo de este tipo pueden encontrarse los bombeos de agua para riego, electrificación rural, abastecimiento humano, telecomunicaciones, señalización e iluminación de carreteras… Cuentan con módulos fotovoltaicos o células solares pudiendo incluir baterías, inversores y reguladores. - Conectadas a la red: inyectan a la red de la compañía correspondiente la energía producida con la obtención de ingresos por la venta de la misma. En estas instalaciones se dispone de los módulos, un inversor, protecciones eléctricas y contadores. Se encuentran muy reguladas por legislación, ya que se vende la energía producida a la red. Se pueden clasificar distintas aplicaciones fotovoltaicas: - Remotas: en lugares que tienen un consumo bajo de electricidad y necesitan acumular la energía mediante baterías. Por ejemplo, repetidores de radio y TV, balizas, radiofaros. - Usos rurales: son instalaciones aisladas de la red que no suelen requerir acumulación, como por Fundamentos de energía solar 17 bajos, incluso en algunos casos el coste de producción es el mismo que el del carbón e incluso la energía nuclear. ▪ Compatible con otras actividades: las instalaciones de energía eólica no interrumpen el desarrollo de actividades tradicionales como la agricultura y la ganadería, sin generar impacto negativo en la economía local. Inconvenientes de la energía eólica: ▪ El viento no se encuentra garantizado: es relativamente impredecible porque no se cumplen todas las previsiones de producción, principalmente en intervalos cortos de tiempo. Se realizan inversiones a largo plazo para minimizar los riesgos, por tanto hay mayor seguridad para calcular el retorno de las mismas. Los valores de velocidad entre los que funcionan correctamente los aerogeneradores corresponden a un viento entre 10 y 40 km/h. Por debajo de 10 km/h la energía no resulta rentable y por encima de 40 km/h hay riesgos físicos para la estructura. ▪ No almacenable: debe ser consumida de manera inmediata una vez producida. No es posible ofrecer una alternativa al uso de otros tipos de energía ▪ Impacto en el paisaje: puede dificultar la visibilidad desde largas distancias por la construcción de grandes parques eólicos e incluso crear malestar en la población por el impacto estético en el paisaje. La altura promedio de las torres oscila entre 50 y 80 metros, con unas palas giratorias que se elevan otros 40 metros por encima. ▪ Afecta a las aves: principalmente debido a las palas giratorias que se mueven a velocidades hasta 70 km/h. Las aves no tienen la capacidad de detectar visualmente las cuchillas a esos valores de velocidad, y terminan colisionando con ellas. Implantación de energía eólica a nivel mundial: Según los datos de la consultora Navigant_BTM, en el cierre del año 2015, la potencia eólica en el mundo superó los 400.000 MW instalados, previéndose un crecimiento del 40% hasta 2019, sobrepasando los 600.000 MW. España forma parte de los países pioneros y líderes de aprovechamiento del viento para producir energía eléctrica. Después de 30 años de instalarse el primer aerogenerador en el país, consiguió el tercer puesto en obtención de electricidad a través del recurso eólico durante un año entero, concretamente el año 2013 con un 20,9% de la producción total. Estos datos sitúan a España como un país bastante avanzado en soluciones tecnológicas que permiten su integración en la red. En los últimos años la implantación eólica en el país se ha ralentizado, sin embargo, España sigue siendo el segundo país europeo en potencia eólica operativa después de Alemania (43.723 MW) con 23.000 MW instalados, y el quinto del mundo, tras China (138.060 MW), EE.UU. (71.000 MW) e India (25.219 MW), según las estimaciones de la citada consultora. Actualmente la energía eólica se aprovecha de dos formas distintas, los aerogeneradores o turbinas producen electricidad y las aerobombas están destinadas al bombeo de agua. - Aerobombas: se utilizan para sacar agua de los pozos con la ayuda exclusiva del viento. El modelo existente más frecuente es el molino multipala americano. - Aerogeneradores: producen energía eléctrica de dos formas: o Aplicaciones aisladas de media o pequeña potencia de usos domésticos o agrícolas como la iluminación, bombeo, y riego; o incluso en instalaciones industriales para desalación de agua de mar. Se incluyen sistemas de baterías de acumulación en caso de estar condicionados por un horario específico, o bien combinaciones de otro tipo de generadores eléctricos. o Conexión directa a red: para potencias grandes de más de 10 o 100 KW, aunque también es factible en ocasiones la conexión de modelos más pequeños, teniendo en cuenta los costes de conexión a red. La rentabilidad más interesante se obtiene cuando se agrupan Fundamentos de energía solar 18 máquinas que vierten energía conjuntamente a la red eléctrica (parques eólicos). Una aplicación interesante son los aerogeneradores pequeños de potencia con un valor de hasta 50 kW destinados al abastecimiento de electricidad para edificios aislados sin conexión a red. Suelen combinarse con paneles fotovoltaicos para generar energía eléctrica de origen renovable. Clasificación de aplicaciones eólicas según su ámbito: - Centralizadas: producción de energía eléctrica en cantidades relativamente importantes, dentro de las cuales se puede encontrar: o Aerogeneradores de gran potencia o Parques eólicos que contribuyen a importante producción eléctrica en el futuro - Vertidas directamente a la red de distribución - Autónomas: uso directo de la energía mecánica o su conversión en energía térmica o eléctrica, entre las que encontramos 3 grupos según el tipo de energía utilizada: o Energía mecánica: bombeo de agua con bombas de pistón, tornillo helicoidal o centrífugas o Energía térmica: calentamiento del agua por rozamiento mecánico o por compresión del fluido refrigerante de una bomba de calor o Energía eléctrica: obliga al almacenamiento o interconexión del sistema de generación autónomo con la red de distribución eléctrica. Las aplicaciones autónomas se basan en las necesidades de comunidades pequeñas o tareas agrícolas, entre las que podemos destacar: ▪ Bombeo de agua y riego ▪ Acondicionamiento y refrigeración de almacenes ▪ Refrigeración de productos agrarios ▪ Secado de cosechas ▪ Calentamiento de agua ▪ Acondicionamiento de naves de cría de ganado ▪ Alumbrado y usos eléctricos diversos Junto a sus diversas aplicaciones, también se pueden diferenciar entre los dos tipos básicos en los que encontramos el recurso eólico en el planeta: ▪ Eólica terrestre (onshore): se trata de la energía que se obtiene mediante los aerogeneradores situados en la superficie terrestre. Este tipo de aerogeneradores presentan una potencia unitaria más elevada y sus costes de instalación y mantenimiento son más reducidos. Aparte, cuenta con una mejor accesibilidad. ▪ Eólica marina (offshore): posee el mismo funcionamiento, pero con la diferencia de que los aerogeneradores se encuentran ubicados en el mar. De esta forma, el impacto visual y acústico es menor, lo que permite un mayor aprovechamiento del recurso eólico (sin limitaciones de espacio). Por otra parte, gracias a tener un régimen de viento más laminar y una velocidad más constante, la vida útil del generador es mayor. Fundamentos de energía solar 19 En el análisis inicial de las energías renovables y fundamentos de energía solar se puede destacar la similitud entre cada una de las aplicaciones, ya que están consideradas como energías limpias no contaminantes y comparten ventaja de disponer de una fuente inagotable y gratuita de energía. La implantación de energías renovables sufre un lento desarrollo debido a elevados costes de inversiones iniciales y variabilidad del clima. Resulta complejo aprovechar los recursos renovables en cuanto a producción continua de energía en todas las partes del planeta, pero sin embargo tienen alto grado de alcance, y compensan desigualdades ya que se encuentran disponibles en países no desarrollados. La energía eólica resulta la tecnología más eficiente y madura de las renovables. Cuenta con una elevada rentabilidad económica y bajo coste de producción, reduce la dependencia de combustibles fósiles, y evoluciona tecnológicamente de forma continua. Desalación mediante energía renovable 20 3 DESALACIÓN MEDIANTE ENERGÍA RENOVABLE 3.1 Introducción La mejor solución de desalinización solar se analiza, caso por caso, considerando diferentes escenas: ▪ Comunidades rurales con demanda limitada de agua dulce (<100 m³/d). Actividades intensivas de investigación y desarrollo centradas en proporcionar agua dulce a pequeñas comunidades rurales en países en desarrollo. Se han construido muchos sistemas de baja eficiencia, que integran el proceso de conversión y desalinización solar térmica en el mismo dispositivo. Sin embargo, a medida que la capacidad de la planta aumenta el uso de tales dispositivos no tienen sentido debido a su baja eficiencia energética. ▪ Regiones con alta demanda tanto de agua (> 25,000 m3 / d) como de electricidad (> 10 MW). Este tipo de sistemas han sido poco analizados. Una planta de energía solar puede producir las necesidades energéticas de una planta de desalinización, basada en ósmosis inversa o en cualquier proceso de destilación. ▪ Demanda de agua intermedia (<25,000 m3 / d y> 100 m3 / d). Los sistemas de destilación solar consisten en una unidad de desalinización y un campo solar directamente conectado o acoplado por un sistema de almacenamiento de energía. En caso de utilizar un proceso de desalinización impulsado por electricidad, es necesario un ciclo de potencia con una potencia de salida relativamente pequeña. Se han implementado varias plantas, normalmente en el marco de proyectos de I + D. En lo que respecta a la desalinización solar, la ósmosis inversa (RO) se alimenta con electricidad, por lo que se requiere la conversión de energía de energía solar térmica a electricidad. Por lo tanto, una evaluación comparativa de diferentes tecnologías basadas en cualquiera de ellas, la destilación y la ósmosis inversa (RO) no es fácil. Al analizar los sistemas de destilación, dos parámetros son esenciales para evaluar el rendimiento del proceso: o La relación de rendimiento, PR, que es la relación entre la entalpía de agua del cambio de fase (2330 kJ / kg) y el consumo de energía térmica específico del proceso en sí (kJ / kg). o La relación de salida de ganancia, GOR: relación entre el producto obtenido (kg de vapor condensado) y la energía requerida del proceso en términos de kg de vapor condensado de la fuente térmica. GOR y PR tienen valores similares debido a sus definiciones respectivas y dependen principalmente de la tecnología de destilación. Por el contrario, el Consumo de Energía Específico (SEC) de la tecnología actual de RO depende en gran medida de la concentración de sal. La desalación por ósmosis inversa impulsada por campos fotovoltaicos solares es una tecnología madura disponible comercialmente. Además, se han instalado varias plantas de desalinización por energía solar basadas en destilación Multi-Stage Flash (MSF), Multi-Effect Distillation (MED) y Membrane Distillation (MD) en el marco de proyectos de I + D. Otras tecnologías se han implementado recientemente, como la ósmosis inversa (RO) activada por un ciclo de energía solar, congelación solar y compresión de vapor mecánica solar. Finalmente, el concepto de desalinización solar directa, que integra dentro del mismo dispositivo el proceso de conversión de energía y destilación, se limita a los sistemas de pequeña capacidad. Muchos de estos sistemas han sido diseñados e instalados. Desalación mediante energía renovable 21 Los sistemas de desalación solar-térmica desarrollados en el siglo XX y principios del siglo XXI se basaron principalmente en las siguientes tecnologías: ▪ Lagunas solares de gradiente de salinidad acopladas a plantas de destilación. Los estanques solares con graduación de salinidad son dispositivos solares que integran el almacenamiento térmico a largo plazo. Esta característica, junto con su bajo costo y economía de escala, los hace especialmente adecuados para ser acoplados a unidades de destilación. Esta tecnología fue estudiada a fondo durante los años 80, atribuible al mercado de destilación dominante de la desalinización de agua de mar. Es destacable la instalación de prueba de El Paso (EE. UU.), Descrita por Lu et al. Este estanque solar no solo controla los procesos de desalación térmica, sino también la desalinización de RO mediante un ciclo Rankine de baja temperatura. El estanque solar de Los Baños es otra instalación de prueba en la que se probó la RO térmica solar. ▪ Destilación de MSF impulsada por campos de colectores solares. El desarrollo de plantas experimentales con capacidades de hasta 100 m³/d muestra el interés centrado en la tecnología solar de MSF durante el siglo XX. Con respecto al desarrollo de la tecnología, Mabrouk y Fath lograron recientemente un importante avance. Informan sobre la campaña de prueba experimental realizada con pretratamiento de NanoFiltration (NF) de la alimentación MSF, lo que resulta en una alta temperatura y una relación de rendimiento mejorada (PR) de 15. Sin embargo, el alto consumo auxiliar del proceso de MSF limita las perspectivas comerciales de desalinización solar basada en la tecnología de MSF. Cabe señalar que el tratamiento en NF requiere un consumo eléctrico adicional y el uso de NF no reduce la gran tasa de flujo de masa que circula a través de la planta. Por lo tanto, el consumo auxiliar aumenta dramáticamente. Una planta convencional representativa en la que se integran los procesos de NF y destilación es la planta de Sharjah, basada en la destilación de flash de etapas múltiples. ▪ MED impulsado por campos colectores solares. Algunas plantas de destilación Multi-Effect (MED) impulsadas por colectores solares se instalaron en diferentes ubicaciones basadas en una unidad MED de 14 efectos con una capacidad de 72 m³/d existentes en el centro de investigación solar Plataforma Solar de Almería (PSA-CIEMAT). En España se han instalado diferentes plantas solares en el marco de diferentes proyectos de I + D: - Planta MED impulsada por vapor desde un campo solar parabólico. - MED-TC (Compresores térmicos) impulsados por el vapor generado por un campo solar parabólico. - Planta MED accionada por agua calentada mediante concentradores parabólicos compuestos. - MED acoplado a una bomba de calor de absorción de doble efecto (DEAHP) a través de dos tanques de agua auxiliares. Un nuevo campo colector parabólico y una caldera producen el vapor requerido por el DEAHP (saturado a 180 ° C). La entrada de calor a baja temperatura del ciclo de absorción es el vapor generado en el último efecto de destilación. Además de eso, el DEAHP proporciona el consumo de calor requerido de la unidad MED como agua caliente. La tecnología MED-DEAHP se desarrolló en la PSA. Para un flujo dado y condiciones termodinámicas de la fuente de vapor externa, MED-DEAHP proporciona una RP más alta que la de MED-TC. Por lo tanto, el formador es superior a MED-TC, sin embargo, no está disponible comercialmente. Además, Hassan ha propuesto y desarrollado el proceso de MED por medio de NanoFiltration (NF) como tratamiento previo de agua de mar. Sin embargo, como el tratamiento previo con NF aumenta el consumo de electricidad auxiliar, esto no se recomienda en la desalinización solar. Además, recientemente, ha habido un creciente interés en desarrollar: o Sistemas de destilación de membrana (MD), que son especialmente adecuados para la desalación solar. Se han obtenido valores de PR de aproximadamente 7. o Sistemas de desalinización de RO impulsados por los ciclos orgánicos de Rankine, como una alternativa potencial a la desalinización PV-RO. El problema clave puede ser que los ORC solares utilicen almacenamiento de energía térmica en lugar de baterías. Se han instalado unos ocho sistemas piloto. o Sistemas de desalación integrados en centrales solares. El creciente interés en integrar las Desalación mediante energía renovable 22 producciones de agua dulce y electricidad es atribuible al hecho de que las demandas de energía y agua generalmente están vinculadas en regiones aisladas y áridas. Las primeras actividades de I+D de este sector son las siguientes: un sistema híbrido MSF-RO impulsado por una planta solar de doble propósito en Kuwait. El sistema de desalinización consiste en una planta de 25 m³/d MSF y una planta de 20 m³/d de RO. En lo que respecta a los análisis de plantas de cogeneración: Rheinländer y Lippke estudiaron un sistema de acoplamiento de una planta MED a una planta de torre solar, y Glueckstern presentó un análisis detallado de plantas solares de doble propósito. 3.2 Evaluación de desarrollos recientes en desalación solar 3.2.1 Desalinización basada en destilación de membrana (MD) En esta sección, se describen las tecnologías pre-comerciales o comerciales existentes de MD y se informan las evaluaciones experimentales externas realizadas por organizaciones de investigación independientes. A continuación, se presenta una breve descripción de dichos módulos de MD, ordenados por la empresa fabricante: ▪ Scarab Development AB. La compañía sueca Scarab Devlopment AB desarrolló módulos MD. Estos productos se han probado en la Plataforma Solar de Almería CIEMAT en el marco del proyecto MEDESOL de la UE (FP62005-Global-4, FP6–036986, Desalinización de agua de mar por el innovador sistema de destilación de membrana con energía solar). La tecnología se basa en el espacio de aire MD, utilizando membranas de lámina plana. ▪ Tecnología Memstill. La tecnología de Memstill es atribuible a las patentes desarrolladas por una organización de investigación en Holanda, TNO, con licencia de la compañía Keppel-Seghers (Singapur). Este último contrató a la Plataforma Solar de Almería para probar dos de los módulos prototipo de la compañía. Ambos prototipos, M33 y PT5, se basan en el proceso MD de espacio líquido y tienen una configuración de membrana de lámina plana y un área de membrana total de 9 m³. El prototipo M33 se fabrica como un solo módulo, mientras que el último está compuesto por tres módulos en serie. ▪ Aquastill. La compañía Aquastill inició sus actividades en 2008. Sus módulos de MD se conocen como AQUA | FLEX 25; AQUA | FLEX 100 y AQUA | FLEX 150R. ▪ Primavera solar. El Instituto Alemán ISE-Fraunhofer ha desarrollado un módulo de MD que hoy se comercializa con su spin- o Solar Spring. Ha habido varias unidades piloto alimentadas por energía solar térmica; Uno de los primeros está en el Instituto Tecnológico de Canarias, otro en la Plataforma Solar de Almería-CIEMAT. El Oryx 150 consta de un módulo MD de espacio líquido con una configuración enrollada en espiral y una temperatura máxima permitida de 85 ° C. ▪ Memsys. La empresa alemana Memsys ha desarrollado un módulo MD. Entre los sistemas piloto se encuentran los instalados en la Plataforma Solar de Almería-CIEMAT y Singapur. ▪ Aquaver. La compañía Aquaver comercializa como WTS-40A un módulo MD basado en módulos Memsys, con membranas V-MEMD de lámina plana (5.76 m²). Utiliza una novedosa configuración de MD de vacío que utiliza el concepto de destilación Multi-Effect con siete efectos que trabajan en un punto de ebullición decreciente. Desalación mediante energía renovable 23 3.2.2 Desalación mediante energía solar Los colectores solares de seguimiento de un eje, los concentradores lineales de Fresnel o los canales parabólicos son las tecnologías más eficientes para impulsar un Ciclo de Rankine Orgánico (ORC) para producir el consumo de energía de un sistema de RO. El principal inconveniente de estos colectores solares es el alto costo requerido para instalarlos y operarlos. Por otro lado, los sistemas de ORC / RO solares impulsados por colectores solares estacionarios son instalaciones bastante simples. El parámetro principal referente a la eficiencia energética del ORC es la temperatura máxima. Se analizan tres rangos de temperatura para evaluar el valor máximo correspondiente de la eficiencia energética que podría alcanzarse. Los rangos de temperatura seleccionados están relacionados con los tipos recomendados de colectores solares de la siguiente manera: Los concentradores lineales de Fresnel son adecuados para temperaturas entre 150 °C y 200 °C. Los colectores parabólicos se recomiendan para temperaturas > 275 °C. Los colectores más grandes, similares a los utilizados en las plantas de energía solar, deben utilizarse a temperaturas superiores a 350 °C. Además de eso, entre 350 °C y 275 °C se podrían utilizar colectores más pequeños, siendo importante el aislamiento térmico del tubo absorbente. Finalmente, el rango intermedio de 200 °C a 275 °C puede ser adecuado tanto para concentradores lineales de Fresnel como para cilindros parabólicos con un tamaño relativamente pequeño. Los valores máximos de eficiencia energética de ORC se registran considerando los siguientes rangos de temperatura: • 150 °C – 200 °C: Quoiling et al. informa sobre las eficiencias térmicas del ORC del 13,1% para una fuente de calor de 190 °C y un fluido de trabajo SES36. La eficiencia global correspondiente del ORC solar es de aproximadamente el 8%. Además de eso, en el análisis informado, R245fa exhibe una eficiencia ligeramente baja. Por otra parte, Wang et al. analizaron diferentes fluidos, obteniendo una temperatura térmica de 190 °C superior al 15% para el fluido de trabajo R134a. • 275 °C – 350 °C: el valor máximo de eficiencia térmica encontrado por los autores en la encuesta bibliográfica es del 28,2%. • 350 °C – 400 °C: los valores de 29.8–30.5% son los mejores reportados por Maraver et al. para los siloxanos. 3.2.3 Energía solar térmica para la producción de agua y electricidad Las principales referencias centradas en el concepto concentrado de energía solar y desalación son Palenzuela et al., Ortega-Delgado et al. y Sharaf et al., entre otros. Con respecto a la evaluación precisa sobre la integración de un proceso de destilación dentro de una planta de energía solar, el problema principal es la disponibilidad de modelos operativos validados para simular el subsistema de destilación en operaciones de carga parcial. Además, el efecto de la planta de destilación sobre la eficiencia del ciclo de potencia depende de la capacidad de la planta, el diseño específico y el punto de operación. No se dispone de evaluaciones exhaustivas ni datos experimentales sobre el área de operación de carga parcial. Por lo tanto, no es posible realizar una evaluación por áreas de esta tecnología. La unidad de destilación se puede modelar en un punto de diseño determinado según la literatura disponible. Si la termocompresión (TC) está acoplada al proceso de destilación, la selección del punto de diseño es bastante compleja. Con respecto a MED-TC, Hana fi et al. describe un modelo completo de un termocompresor para aplicaciones MED-TC. Además, Ameri et al., Kamali et al, Kouhikamali et al., Galván-Ángeles et al. y Al-Najemetal. informan sobre modelos paramétricos del compresor y la unidad MED. Además, Choi, Sayyadi y Esfahani et al. realizar análisis respectivos, exergéticos, termoeconómicos y de optimización de la tecnología MED-TC. Además, algunas referencias útiles para validar modelos con plantas de MED-TC son Temset et al.; Kouhikamali et al.y Al-Mutaz y Wazeer. Desalación mediante energía renovable 24 Aunque las referencias mencionadas anteriormente son útiles para evaluar la integración de las unidades de destilación en las plantas de energía solar, se necesitan modelos dinámicos. Mazini et al. y Ortega- Delgado et al. describen los modelos de desempeño de MED-TC desarrollados para calcular la eficiencia y la producción de agua del proceso de destilación de MED-TC en su totalidad dentro de un rango adecuado de la fuente de vapor externa. En cuanto a las pruebas experimentales de las campañas, la literatura es escasa. La operación fuera de las condiciones nominales de una unidad MED ha sido evaluada experimentalmente por Fernández-Izquierdo et al. 3.2.4 Desalación solar térmica: destilación vs ósmosis inversa ➢ Demandas de agua medianas y grandes (> 100m³/ d): La desalinización solar es un concepto atractivo, ya que permite que el agua potable se produzca a partir de agua de mar y agua salobre utilizando energía solar. Además, las regiones con escasez de agua y estrés hídrico son regiones típicamente áridas con alta radiación solar. Todo encaja y se alinea con la sostenibilidad; por lo tanto, el desafío es producir agua potable con desalinización solar a un costo razonable. El primer y esencial paso es buscar la eficiencia energética en la desalación solar. Pensar en términos de unidades de energía solar requeridas por unidad de agua potable producida es la única forma de avanzar y buscar el proceso de desalinización solar que requiere menos energía. Para ello, se evalúa la energía solar necesaria para obtener 1 kg de agua dulce mediante diferentes tecnologías. En esta subsección solo se consideran las tecnologías de desalinización adecuadas para demandas de agua de medianas a grandes. Se utilizan datos calculados en García-Rodríguez y Delgado-Torres [6]: se considera una salinidad de agua de mar de 35,000 ppm. La Fig. 15 muestra el análisis de energía para diferentes procesos de desalinización de agua de mar a partir de energía solar térmica. Primero, la tecnología de destilación más eficiente, que consiste en una unidad de destilación Multiefecto (MED) acoplada a una bomba de calor de absorción de doble Efecto (DEAHP), que exhibe un PR de 20. Esto es equivalente a un consumo de calor específico de aproximadamente 115 kJ/kg. El DEAHP requiere concentradores solares de un eje, por lo que esta opción es la opción parabólica TroughCollector (PTC) mostrada. En segundo lugar, MED impulsado por colectores solares estacionarios, colector de tubos evacuados (ETC) dentro de un rango de rendimiento térmico y Concentrado Parabólico Compuesto (CPC) - y PTC. Finalmente, la ósmosis inversa (RO) funciona con un ciclo orgánico de Rankine orgánico (ORC). Desalación mediante energía renovable 25 Figura 10. Consumo de energía de diferentes tecnologías de desalación solar [7]. La primera conclusión relevante es que los procesos de destilación requieren al menos cuatro veces más energía que el proceso de desalinización RO, siendo MED-DEAHP el más eficiente entre ellos. La desalinización de RO también puede ser alimentada por plantas fotovoltaicas y solares fotovoltaicas, por lo que ambas tecnologías deben compararse con la destilación. Tales comparaciones se reportan a continuación. La Fig.16 muestra la influencia del rendimiento de conversión térmica solar en la energía solar requerida para producir una unidad de masa de agua dulce a partir de agua de mar. Los valores del eje OX corresponden a diferentes sistemas de conversión térmica solar, estanques solares (SP) con gradiente de salinidad, colectores de placa plana (FPC), concentradores parabólicos compuestos (CPC), colectores de tubos de evacuación (ETC) y colectores de cilindros parabólicos (PTC). En el análisis solo se incluyen los procesos MED y RO, ya que MSF es menos eficiente que MED. Un conjunto de curvas representa la desalinización solar ORC-RO con diferentes valores de rendimiento térmico de la ORC: 10%, 15%, 20% y 25%. La temperatura superior requerida aumenta con el rendimiento del ciclo. Por lo tanto, el colector solar y los colectores solares estacionarios serían adecuados con un rendimiento del ciclo tan bajo como el 10%. Se han informado análisis exhaustivos de la RO impulsada por ORC solar. En este caso, el consumo de energía específico se obtiene multiplicando los rendimientos del colector solar y el del ciclo orgánico Rankine. Desalación mediante energía renovable 26 Figura 11. Energía solar requerida para producción de agua dulce en kJ/kg [7]. La tecnología MED exhibe el mayor consumo de energía (PR = 10). La curva correspondiente, en la parte superior, muestra la elevada influencia en la energía requerida de la tecnología solar térmica que podría utilizarse: estanques solares, colectores estacionarios (FPC y ETC) y PTC dentro de un rango representativo de rendimiento para esta tecnología. La tecnología MED-DEAHP (PR=20) da como resultado un requerimiento de energía solar equivalente al ORC-RO solar en el que el rendimiento térmico del ORC es del 7% (este es un valor bajo, ya que incluso con los colectores solares estacionarios, el mayor rendimiento del ORC puede ser logrado). En la curva MED-DEAHP se marca el rango correspondiente a PTC. Como valor de referencia para la comparación con la tecnología de la competencia, PV-RO, se incluye una línea horizontal en la figura considerando una eficiencia energética del 14% para la conversión solar fotovoltaica. Se pueden lograr eficiencias de conversión de PV en torno al 20%. Los valores de eficiencia dependen del costo del producto comercial seleccionado. La figura 16 muestra que PV / RO exhibe las necesidades de energía solar más bajas en comparación con ORC / RO solar y la destilación solar. Además, es necesaria una comparación entre el RO impulsado por las plantas de energía solar y la destilación. Además, para evaluar las perspectivas futuras de una tecnología determinada, se debe analizar la influencia de la evolución histórica del consumo de energía principal de la desalación por ósmosis inversa de agua de mar (SWRO). Evolución anterior desde 7 kWh / m³ hasta aproximadamente 2 kWh / m³ y valores futuros, que pueden ser más bajos. Luego, se presenta un análisis complementario en el cual los sistemas de RO solar-térmicos se comparan con la mejor tecnología de destilación solar, MEDDEAHP (PR = 20). Desalación mediante energía renovable 33 excepto la disponibilidad de productos comerciales confiables de ORC dentro de una amplia gama de potencia de salida. Los productos Turboden de 1 MW para la producción de energía solar exhiben alta eficiencia con las únicas limitaciones atribuibles a los fluidos orgánicos. El uso de almacenamientos térmicos innovadores podría promover el desarrollo del mercado de dicha tecnología. La tecnología solar competidora es la PV-RO. Dependiendo de la curva de demanda, el almacenamiento de agua dulce puede minimizar el uso de baterías. La decisión final debe basarse en el CAPEX y el OPEX de un proyecto específico, así como en la disponibilidad de la tierra y la orografía. Estas cuatro tecnologías no permiten el funcionamiento continuo de la planta de desalinización, lo que resulta en un sobredimensionamiento de la planta de RO para lograr una demanda de agua determinada. Además, para ampliar las horas diarias de operación de la planta de desalinización, también se debe sobredimensionar el área solar térmica o fotovoltaica. Para la energía solar térmica, en comparación con las plantas de desalinización solar con respaldo de energía convencional, se requiere aproximadamente el doble del campo solar y la capacidad de la doble planta para aproximadamente 12 h/d de operación de la planta. Por lo tanto, el diseño de la planta de desalación basada en un concepto independiente resulta en un aumento significativo del costo de capital. Además, la operación y el mantenimiento también se incrementan debido a la operación discontinua de la planta de desalinización. Las plantas de desalación solar autónomas dentro de este rango de demanda de agua no se recomiendan debido a las razones mencionadas anteriormente. La selección de diseño recomendada es la operación continua de la planta de desalinización como combinación de tres modos de operación: - Modo 1: planta de desalinización en sus condiciones de trabajo nominales impulsadas por el sistema solar térmico o fotovoltaico. - Modo 2: Planta de desalinización operada fuera de sus condiciones nominales (carga parcial). Este modo requiere un diseño específico modificado. Se han desarrollado diferentes conceptos para igualar el consumo de la planta de desalación y la producción de electricidad. - Modo 3: Planta operada en condiciones nominales conectadas a la red cuando el modo 1 no es posible y el modo 2 no se recomienda. En el caso de la conveniencia de usar el modo 3 solo en horas específicas, debe compararse la opción de apagar la planta o usar suficiente almacenamiento de energía. El rendimiento relativamente bajo de la ORC hace que la opción de utilizar un gas convencional sea rechazada. El cuello de botella de esta tecnología es la disponibilidad de almacenamiento térmico económico y de alta capacidad para desarrollar sistemas de desalación autónomos. En lo que respecta a las turbinas de micro gas solar, pueden funcionar con combustibles fósiles, pero esta opción solo se recomienda en días nublados. 3.2.7 Tecnologías candidatas para el mercado potencial Para evaluar las tecnologías candidatas para el mercado potencial de desalinización solar térmica, son necesarios los análisis de gastos de capital (CAPEX). La comparación global de tecnologías solares normalmente se basa en puntos de diseño. Dado que la curva de la producción térmica de canales parabólicos es bastante plana en días claros, excepto en el amanecer y el atardecer, el tamaño del campo solar se establece en el punto de diseño como el requerido para conducir la planta de desalinización en sus condiciones nominales. Normalmente el campo solar de un sistema autónomo está sobredimensionado significativamente para ampliar las horas de operación. Además, el proceso MED convencional o acoplado a DEAHP exhibe CAPEX mucho más alto que ambos, ORC / SWRO solar y PV / SWRO. Además, la operación continua sin respaldo de energía convencional no es razonable mediante el uso de canales parabólicos. Además, SWRO es superior a los procesos de destilación convencionales en relación con la operación discontinua. Entonces, MED y Desalación mediante energía renovable 34 MED-DEAHP son rechazados. El uso directo de combustibles fósiles como respaldo de los procesos de destilación no tiene sentido debido a su alto consumo de energía. En resumen, ORC / SWRO solar y PV / SWRO son las mejores tecnologías. Se pueden concluir los siguientes aspectos en la desalación de agua mediante energía renovable: Los sistemas de destilación de membranas para desalación se encuentran poco desarrollados actualmente, sin embargo, cuentan con oportunidades futuras de mercado para aplicaciones de muy pequeña capacidad. Los sistemas convencionales de destilación Multi Effect y destilación flash cuentan con un elevado consumo energético. Las principales conclusiones con respecto a las soluciones viables para un mercado potencial de desalación con energía solar térmica a partir del análisis realizado son las siguientes: - Los sistemas de destilación de membrana, cuando estén completamente desarrollados, tendrán oportunidades de mercado en sistemas de desalinización de agua de mar de muy pequeña capacidad. El principal inconveniente son los requisitos de enfriamiento como cualquier otra tecnología de destilación. De lo contrario, se obtiene una baja tasa de recuperación. - Los procesos de destilación convencionales, la destilación Multi-Effect y la destilación de flash en etapas múltiples muestran un consumo de energía solar demasiado alto como para competir con la ósmosis inversa solar para la desalación del agua de mar. Además, la operación discontinua no es adecuada para tales tecnologías. Por lo tanto, también se rechaza la integración en la planta de energía solar convencional de procesos de destilación. - Los únicos sistemas independientes con oportunidades de mercado de hasta 20.000 m³/d se basan en ósmosis inversa impulsada por: o Cilindros parabólicos o concentradores lineales de Fresnel mediante ciclos orgánicos de Rankine. o Concentradores de plato acoplados a microturbinas de gas en caso de una demanda limitada de agua. Una sola unidad podría producir aproximadamente 10 m³/h de agua dulce a partir de agua de mar. Además, varias unidades podrían acoplarse para impulsar la misma planta de desalación. La principal ventaja de ambas opciones en comparación con la desalinización PV-RO es el posible uso del almacenamiento térmico en lugar de las baterías. Si es posible, se recomienda utilizar la red eléctrica como respaldo de energía. Las calderas de incendio no se recomiendan como respaldo de energía de los Ciclos de Rankine orgánicos solares debido a la eficiencia relativamente baja. Esta tecnología podría competir con la fotovoltaica. Sin embargo, debe tenerse en cuenta una mayor disminución de los precios de los sistemas fotovoltaicos. Además de eso, las turbinas de micro gas solar tienen la ventaja de la disponibilidad de rechazo de calor, que permite el concepto de descarga de líquido cero (ZLD). Finalmente, pueden ser alimentados por la noche con fósiles convencionales si es necesario. Esas características podrían volverse competitivas en comparación con los sistemas de desalinización PV-RO en casos específicos. La planta de energía solar y desalación mediante ósmosis inversa cubren las demandas más altas. Se recomienda encontrar un equilibrio global entre el consumo de electricidad por la producción de agua y la generación de electricidad solar, en lugar del concepto tradicional de integrar ambos procesos dentro de la misma planta. Además, la ubicación y producción de la planta de energía solar podrían adaptarse a la conveniencia de CAPEX y OPEX. La producción distribuida de agua dulce podría adoptarse si la orografía y la distancia entre los lugares de demanda de agua lo hacen adecuado. Desalación mediante energía renovable 35 Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 36 4 CÁLCULO ESTIMADO DE LA PRODUCCIÓN EN AEROGENERADORES 4.1 Caracterización simplificada del recurso eólico: distribución de Weibull El objetivo de cálculo en este apartado será estimar la potencia producida por un aerogenerador en un emplazamiento concreto, en este caso se han elegido dieciséis estaciones meteorológicas del archipiélago canario. En la siguiente figura se pueden observar las ubicaciones de los dieciséis climas seleccionados en seis de las siete islas que constituyen el archipiélago (Lanzarote, Fuerteventura, Gran Canaria, Tenerife, La Gomera, y El Hierro). Figura 14. Localización de las estaciones meteorológicas utilizadas [17]. La velocidad del viento cambia continuamente y resulta necesario utilizar una descripción de manera estadística que permita evaluar el potencial eólico de la zona en estudio. La distribución de Weibull describe la frecuencia de la distribución de velocidades del viento para un intervalo de tiempo determinado. Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 37 La función de distribución Weibull depende de dos parámetros: - Parámetro de escala, c: determina la velocidad promedio del viento en el lugar de estudio - Parámetro o factor de forma, k: indica el grado de dispersión de los registros La expresión de la distribución Weibull corresponde a: 𝑓(𝑣;𝑘,𝑐)={𝒌 𝒄(𝒌 𝒄)𝒌−𝟏𝐞𝐱𝐩(−(𝒗 𝒄)𝒌) ; 𝑣≥0;𝑘,𝑐>0 𝟎 ; 𝑣<0 Siendo v: velocidad del viento [m/s] c: velocidad promedio [m/s] k: factor de forma En un primer ejemplo concreto, se analizan los valores de los parámetros de la función de Weibull. Para ello, se toma una densidad de aire correspondiente a 1.225 kg/m³, una velocidad de 10 m/s, y dos valores positivos para los parámetros k y c [18], es decir: k=2; c=7.3 m/s → Obteniendo un resultado de f = 0.057 A efectos de corregir la distribución de Weibull para la altura correspondiente al buje del aerogenerador, se debe utilizar la siguiente expresión: 𝛼(𝑍)=v(Z) v(Zref)= ln(𝑍 𝑍0) ln(𝑍𝑟𝑒𝑓 𝑍0) Siendo 𝑍𝑟𝑒𝑓= 10 m → altura de referencia 𝑍0=0.0024 m → rugosidad del terreno Esta última expresión permite obtener la velocidad media del viento en una localización concreta para diferentes alturas. Asimismo, se hará uso de un catálogo donde se encuentran las especificaciones de los aerogeneradores, para obtener los parámetros necesarios de diseño y detallar un resultado numérico de la velocidad promedio a distintas alturas. En el catálogo de VESTAS [19], se eligen tres modelos de aerogeneradores. Se puede ver en la siguiente tabla el resumen de resultados: Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 38 Modelo Aerogenerador Altura (m) Alpha (α) Velocidad media (m/s) V112-3.3 84 1.255 9.164 V117-3.3 91.5 1.266 9.239 V126-3.3 119 1.297 9.469 Tabla 2. Resultados de velocidad promedio para distintos aerogeneradores VESTAS. Se comprueba que la variación de la velocidad con la altura es bastante reducida en el rango objeto de análisis (80-120 m). En el cálculo eólico de la velocidad promedio según el tipo de aerogenerador del catálogo VESTAS, se comprueba que la variación de la velocidad con la altura es bastante reducida en el rango objeto de análisis de cuarenta metros de variación, es decir, para obtener valores de velocidades elevados se necesitará una gran altura, o bien elegir otro tipo de generador que tenga diferentes parámetros de diseño. Por último, se procede a la representación gráfica de la distribución de Weibull frente a la velocidad del viento en los tres modelos de generador escogidos. Para ello se incluirá el valor de cada velocidad promedio en la fórmula obtenida inicialmente de la distribución Weibull, teniendo en cuenta que se tiene un factor de forma correspondiente a 2. Para tener un rango de valores de velocidad de viento y delimitar la función, se supone una velocidad que varía desde 0 a 25 m/s. Con estos datos se puede formular un resultado tanto numérico como gráfico de la función. Modelo V112-3.3 Modelo V117-3.3 Modelo V126-3.3 Velocidades (m/s) c = 9.164 c = 9.239 c =9.469 0 0.000 0.000 0.000 1 0.024 0.023 0.022 2 0.045 0.045 0.043 3 0.064 0.063 0.061 4 0.079 0.078 0.075 5 0.088 0.087 0.084 6 0.093 0.092 0.090 7 0.093 0.092 0.090 8 0.089 0.089 0.087 9 0.082 0.082 0.081 10 0.072 0.073 0.073 11 0.062 0.062 0.064 12 0.051 0.052 0.054 13 0.041 0.042 0.044 14 0.032 0.033 0.035 15 0.025 0.025 0.027 16 0.018 0.019 0.021 17 0.013 0.013 0.015 18 0.009 0.009 0.011 Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 39 19 0.006 0.006 0.008 20 0.004 0.004 0.005 21 0.003 0.003 0.003 22 0.002 0.002 0.002 23 0.001 0.001 0.001 24 0.001 0.001 0.001 25 0.000 0.000 0.001 Tabla 3. Resultados de la distribución de Weibull para distintos aerogeneradores VESTAS. A continuación, se representan gráficamente los resultados obtenidos para cada aerogenerador: Figura 15. Función Weibull según el modelo V112-3.3 frente a la velocidad del viento. Figura 16. Función Weibull según el modelo V117-3.3 frente a la velocidad del viento. 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 5 10 15 20 25 30 Valores función Weibull Velocidad de viento (m/s) Modelo V112-3.3 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 5 10 15 20 25 30 Valores función Weibull Velocidad de viento (m/s) Modelo V117-3.3 Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 40 Figura 17. Función Weibull según el modelo V126-3.3 frente a la velocidad del viento. La distribución de Weibull es una función que indica la probabilidad de que la velocidad del viento tenga un valor concreto, en este caso se han obtenido los resultados asumiendo un factor de forma igual a dos. Para realizar el cálculo de las diferentes localizaciones geográficas habría que modificar los distintos valores de factor de forma en cada estación meteorológica, ya que este factor es variable según el lugar donde se realice el estudio. 4.2 Cálculo simplificado de la producción anual de un aerogenerador En los catálogos de aerogeneradores comerciales, los fabricantes ofrecen la curva de comportamiento del aerogenerador donde se representa la potencia frente a la velocidad del viento. Para el caso de los tres aerogeneradores del catálogo VESTAS elegidos, se necesita construir una función que refleje el comportamiento de la potencia frente a la velocidad del viento en cada uno de ellos, por lo que una vez consultado el catálogo se tiene: 𝑴𝒐𝒅𝒆𝒍𝒐 𝑽𝟏𝟏𝟐/𝟑.𝟑=𝑃(𝑣)={ 3300,13≤𝑣≤25 300∙𝑣−990, 3<𝑣<13 0, 𝑣≤3 𝑴𝒐𝒅𝒆𝒍𝒐 𝑽𝟏𝟏𝟕/𝟑.𝟑=𝑃(𝑣)={ 3300,13≤𝑣≤25 300∙𝑣−990, 3<𝑣<13 0, 𝑣≤3 𝑴𝒐𝒅𝒆𝒍𝒐 𝑽𝟏𝟐𝟔/𝟑.𝟑=𝑃(𝑣)={ 3300,12≤𝑣≤25 366.7∙𝑣−1100, 3<𝑣<12 0, 𝑣≤3 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 5 10 15 20 25 30 Valores función Weibull Velocidad de viento (m/s) Modelo V126-3.3 Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 41 Se modela como una función por partes, suponiendo la pendiente creciente de la gráfica como línea recta. La producción anual de los aerogeneradores se determina con la integral: ∫ 𝑃(𝑣)∙𝑊𝑏(𝑣)∙𝑑𝑣 25 0 Se consideran las correcciones por altura para 84, 91.5, y 119 metros de los distintos modelos de aerogeneradores. Teniendo en cuenta que la distribución Weibull está definida en todo el intervalo y que la función de la potencia es nula para velocidades menores a 3 m/s, podemos utilizar el programa de cálculo Excel y obtener la producción anual para cada uno de los aerogeneradores. Se detalla en la siguiente tabla el desglose de cálculo tanto de la potencia como de la producción anual por aerogenerador: Modelo V112-3.3 Modelo V117-3.3 Modelo V126-3.3 V P(kW) P*dWb P(kW) P*dWb P(kW) P*dWb 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 4 300 23.621 300 23.311 366.8 27.378 5 600 53.0511 600 52.446 733.5 61.901 6 900 83.768 900 82.988 1100.2 98.553 7 1200 111.619 1200 110.856 1466.9 132.610 8 1500 133.373 1500 132.844 1833.6 160.258 9 1800 147.057 1800 146.953 2200.3 178.981 10 2100 152.031 2100 152.479 2567 187.706 11 2400 148.838 2400 149.882 2933.7 186.700 12 2700 138.903 2700 140.497 3300.4 177.289 13 3300 136.564 3300 138.797 3300 145.311 14 3300 106.633 3300 108.941 3300 115.799 15 3300 80.887 3300 83.100 3300 89.7850 16 3300 59.648 3300 61.646 3300 67.7766 17 3300 42.782 3300 44.497 3300 49.839 18 3300 29.859 3300 31.266 3300 35.7162 19 3300 20.287 3300 21.394 3300 24.953 20 3300 13.422 3300 14.261 3300 17.002 21 3300 8.649 3300 9.262 3300 11.301 22 3300 5.429 3300 5.863 3300 7.329 23 3300 3.321 3300 3.618 3300 4.638 24 3300 1.981 3300 2.177 3300 2.865 25 3300 1.151 3300 1.277 3300 1.728 1503 kW 1518 kW 1785 kW Tabla 4. Resultados de la potencia anual en los distintos aerogeneradores VESTAS. Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 42 Suponiendo un número de horas de funcionamiento de los aerogeneradores de 3500 según el IDAE [20], una primera estimación de cálculo de producción anual en un parque eólico compuesto por diez aerogeneradores de cada uno de los tres tipos elegidos se corresponde con los siguientes resultados: • 10 aerogeneradores modelo V112-3.3: Producción anual→ 52605 MWh/año • 10 aerogeneradores modelo V117-3.3: Producción anual→ 53130 MWh/año • 10 aerogeneradores modelo V126-3.3: Producción anual→ 62475 MWh/año 4.3 Métodos de cálculo más precisos para la producción anual Existen métodos de cálculo para la producción anual de un generador fuera del alcance del proyecto, cuyas expresiones corresponden a funciones de distribución de probabilidad más precisas que la Weibull, como pueden ser: - Mezcla de la distribución normal de Weibul truncada (Singly-Truncated normal Weibull mixture distribution): 𝑓𝑔(𝑣; 𝜉,𝛳,𝑘,𝑐,𝜔)=𝜔·𝑔(𝑣; 𝜉,𝛳)+(1−𝜔)·𝑓(𝑣;𝑘,𝑐) Esta distribución depende de las siguientes funciones: 𝑔(𝑣; 𝜉,𝛳)={𝒁(𝑣; 𝜉,𝛳)/∫ 𝒁(𝑣; 𝜉,𝛳)𝑑𝑣 ∞ 0 ; 𝑣≥0;𝛳>0 𝟎 ; 𝑣<0 𝒁(𝑣; 𝜉,𝛳)=1 √2𝜋𝑒𝑥𝑝(−(𝑣−𝜉)2 2𝛳2) - Distribución de dos componentes de la mezcla de Weibul (Two component mixture Weibull distribution): 𝑓𝑓(𝑣; 𝑘1,𝑐1,𝑘2,𝑐2,𝜔)=𝜔·𝑓(𝑣; 𝑘1,𝑐1)+(1−𝜔)·𝑓(𝑣;𝑘2,𝑐2) Para la particularización de los cálculos a una altura del buje determinada es necesario realizar correcciones en las funciones anteriores. Puede verse en la siguiente tabla, el listado de correcciones: Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 49 Tabla 9. Potencia y producción anual de los aerogeneradores VESTAS, estación 15. Instalando el parque eólico en esta estación meteorológica se podría abastecer el consumo de electricidad necesario para 20217416.67 m³/año. • Estación San Sebastián, La Gomera (Estación 16) (Modelo V112-3.3) (Modelo V117-3.3) (Modelo V126-3.3) V P P*dWb P P*dWb P P*dWb 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 4 300 27,642 300 27,307 366,8 32,162 5 600 60,045 600 59,453 733,5 70,478 6 900 91,025 900 90,376 1100,2 108,004 7 1200 115,584 1200 115,134 1466,9 138,915 8 1500 130,643 1500 130,625 1833,6 159,357 9 1800 135,253 1800 135,811 2200,3 167,774 10 2100 130,322 2100 131,484 2567 164,720 11 2400 118,034 2400 119,714 2933,7 152,317 12 2700 101,155 2700 103,189 3300,4 133,537 13 3300 90,653 3300 93,056 3300 100,351 14 3300 64,045 3300 66,189 3300 72,814 15 3300 43,632 3300 45,422 3300 51,049 16 3300 28,684 3300 30,093 3300 34,603 17 3300 18,205 3300 19,258 3300 22,691 18 3300 11,161 3300 11,910 3300 14,400 19 3300 6,611 3300 7,121 3300 8,848 20 3300 3,785 3300 4,117 3300 5,265 21 3300 2,096 3300 2,303 3300 3,035 22 3300 1,122 3300 1,246 3300 1,695 23 3300 0,581 3300 0,653 3300 0,918 24 3300 0,291 3300 0,331 3300 0,482 25 3300 0,141 3300 0,162 3300 0,245 Nºaerogen. 1 1180,71 1194,95 1443,66 10 11,807 11,950 14,437 Producc.Anual [MWh/año] 41324,82 41823,41 50528,09 Tabla 10. Potencia y producción anual de los aerogeneradores VESTAS, estación 16. Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 50 Instalando el parque eólico en esta estación meteorológica se podría abastecer el consumo de electricidad necesario para 11617613.89 m³/año. • Estación El Rayo, Norte de Tenerife (Estación 14) (Modelo V112-3.3) (Modelo V117-3.3) (Modelo V126-3.3) V P P*dWb P P*dWb P P*dWb 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 4 300 38,709 300 38,338 366,8 45,496 5 600 76,797 600 76,344 733,5 91,583 6 900 104,204 900 104,064 1100,2 126,511 7 1200 116,072 1200 116,543 1466,9 143,936 8 1500 112,790 1500 113,955 1833,6 143,328 9 1800 98,386 1800 100,106 2200,3 128,538 10 2100 78,280 2100 80,279 2567 105,488 11 2400 57,377 2400 59,356 2933,7 80,013 12 2700 39,000 2700 40,732 3300,4 56,465 13 3300 27,167 3300 28,670 3300 33,517 14 3300 14,621 3300 15,604 3300 18,851 15 3300 7,437 3300 8,033 3300 10,053 16 3300 3,577 3300 3,914 3300 5,086 17 3300 1,628 3300 1,806 3300 2,443 18 3300 0,701 3300 0,789 3300 1,114 19 3300 0,286 3300 0,327 3300 0,483 20 3300 0,111 3300 0,128 3300 0,199 21 3300 0,041 3300 0,048 3300 0,078 22 3300 0,014 3300 0,017 3300 0,029 23 3300 0,005 3300 0,006 3300 0,010 24 3300 0,001 3300 0,002 3300 0,003 25 3300 0,000 3300 0,001 3300 0,001 Nºaerogen. 1 777,21 789,06 993,22 Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 51 10 7,772 7,891 9,932 Producc.Anual [MWh/año] 27202,18 27617,12 34762,87 Tabla 11. Potencia y producción anual de los aerogeneradores VESTAS, estación 14. Instalando el parque eólico en esta estación meteorológica se podría abastecer el consumo de electricidad necesario para 7671422.22 m³/año. • Estación Granadilla, Sur de Tenerife (Estación 13) (Modelo V112-3.3) (Modelo V117-3.3) (Modelo V126-3.3) V P P*dWb P P*dWb P P*dWb 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 4 300 17,840 300 17,598 366,8 20,634 5 600 40,828 600 40,332 733,5 47,481 6 900 65,969 900 65,279 1100,2 77,242 7 1200 90,324 1200 89,563 1466,9 106,615 8 1500 111,366 1500 110,689 1833,6 132,685 9 1800 127,237 1800 126,802 2200,3 153,204 10 2100 136,872 2100 136,814 2567 166,765 11 2400 140,014 2400 140,418 2933,7 172,836 12 2700 137,106 2700 138,001 3300,4 171,686 13 3300 142,032 3300 143,524 3300 147,781 14 3300 117,344 3300 119,083 3300 124,163 15 3300 94,578 3300 96,419 3300 101,897 16 3300 74,415 3300 76,234 3300 81,734 17 3300 57,187 3300 58,891 3300 64,116 18 3300 42,944 3300 44,469 3300 49,208 19 3300 31,524 3300 32,834 3300 36,964 20 3300 22,628 3300 23,714 3300 27,185 21 3300 15,887 3300 16,757 3300 19,579 22 3300 10,913 3300 11,589 3300 13,814 23 3300 7,335 3300 7,845 3300 9,548 24 3300 4,825 3300 5,199 3300 6,468 25 3300 3,107 3300 3,373 3300 4,293 Nºaerogen. 1 1492,28 1505,43 1735,90 Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 52 10 14,923 15,054 17,359 Producc.Anual [MWh/año] 52229,66 52689,89 60756,41 Tabla 12. Potencia y producción anual de los aerogeneradores VESTAS, estación 13. Instalando el parque eólico en esta estación meteorológica se podría abastecer el consumo de electricidad necesario para 14636080.56 m³/año. • Estación Taca, Norte de Fuerteventura (Estación 2) (Modelo V112-3.3) (Modelo V117-3.3) (Modelo V126-3.3) V P P*dWb P P*dWb P P*dWb 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 4 300 32,816 300 32,425 366,8 38,240 5 600 70,291 600 69,630 733,5 82,704 6 900 104,745 900 104,081 1100,2 124,722 7 1200 130,337 1200 129,983 1466,9 157,402 8 1500 143,913 1500 144,126 1833,6 176,656 9 1800 145,093 1800 146,002 2200,3 181,430 10 2100 135,722 2100 137,300 2567 173,257 11 2400 118,964 2400 121,058 2933,7 155,376 12 2700 98,361 2700 100,739 3300,4 131,723 13 3300 84,779 3300 87,438 3300 95,442 14 3300 57,426 3300 59,677 3300 66,577 15 3300 37,393 3300 39,175 3300 44,742 16 3300 23,422 3300 24,752 3300 28,987 17 3300 14,120 3300 15,061 3300 18,114 18 3300 8,196 3300 8,829 3300 10,923 19 3300 4,583 3300 4,988 3300 6,359 20 3300 2,469 3300 2,717 3300 3,575 21 3300 1,282 3300 1,427 3300 1,941 22 3300 0,642 3300 0,723 3300 1,018 23 3300 0,310 3300 0,354 3300 0,516 24 3300 0,144 3300 0,167 3300 0,253 25 3300 0,065 3300 0,076 3300 0,120 Nºaerogen. 1 1215,07 1230,73 1500,08 Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 53 10 12,151 12,307 15,001 Producc.Anual [MWh/año] 42527,53 43075,48 52502,67 Tabla 13. Potencia y producción anual de los aerogeneradores VESTAS, estación 2. Instalando el parque eólico en esta estación meteorológica se podría abastecer el consumo de electricidad necesario para 11965411.11 m³/año. • Estación P. Jandía 1, Sur de Fuerteventura (Estación 4) (Modelo V112-3.3) (Modelo V117-3.3) (Modelo V126-3.3) V P P*dWb P P*dWb P P*dWb 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 4 300 24,783 300 24,446 366,8 28,665 5 600 56,671 600 55,981 733,5 65,910 6 900 91,473 900 90,517 1100,2 107,119 7 1200 125,090 1200 124,040 1466,9 147,687 8 1500 154,015 1500 153,089 1833,6 183,559 9 1800 175,682 1800 175,101 2200,3 211,632 10 2100 188,648 2100 188,596 2567 229,984 11 2400 192,598 2400 193,192 2933,7 237,922 12 2700 188,190 2700 189,466 3300,4 235,866 13 3300 194,494 3300 196,597 3300 202,584 14 3300 160,280 3300 162,714 3300 169,808 15 3300 128,832 3300 131,396 3300 139,005 16 3300 101,071 3300 103,594 3300 111,200 17 3300 77,432 3300 79,784 3300 86,980 18 3300 57,956 3300 60,052 3300 66,552 19 3300 42,396 3300 44,190 3300 49,832 20 3300 30,321 3300 31,802 3300 36,524 21 3300 21,206 3300 22,388 3300 26,212 22 3300 14,507 3300 15,421 3300 18,424 23 3300 9,710 3300 10,396 3300 12,686 24 3300 6,359 3300 6,860 3300 8,557 25 3300 4,076 3300 4,431 3300 5,657 Nºaerogen. 1 2045,79 2064,05 2382,36 10 20,458 20,641 23,824 Producc.Anual [MWh/año] 71602,68 72241,91 83382,77 Tabla 14. Potencia y producción anual de los aerogeneradores VESTAS, estación 4. Instalando el parque eólico en esta estación meteorológica se podría abastecer el consumo de electricidad necesario para 20067197.22 m³/año. Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 54 De acuerdo con los resultados obtenidos, se detalla una tabla comparativa que permitirá elegir la localización más conveniente para instalar el parque eólico: Estación Met. Producción eólica anual [MWh/año] Producción de agua [m³/año] 6 4.94E+04 1.37E+07 12 6.96E+04 1.93E+07 1 6.61E+04 1.84E+07 15 7.28E+04 2.02E+07 16 4.18E+04 1.16E+07 14 2.76E+04 7.67E+06 13 5.27E+04 1.46E+07 2 4.31E+04 1.20E+07 4 7.22E+04 2.01E+07 Tabla 15. Producción eólica y producción de agua en planta de desalación. Como se puede observar en la tabla la estación meteorológica más interesante corresponde a la de mayor producción de energía, ya que toda esta producción estará destinada al consumo de energía necesario en la planta de desalación, por lo que el parque eólico de la estación Valverde, en la isla del Hierro abastecerá la electricidad necesaria para producir la mayor cantidad de agua en la planta de ósmosis inversa. Esta localización posee el mayor valor del parámetro factor de escala en la distribución de Weibul, es decir, la mayor velocidad promedio del viento, por lo que se puede concluir que existe coherencia con respecto al resultado de mayor producción energética. Por tanto, El Hierro será el lugar con las mejores condiciones de viento para la producción de energía de los aerogeneradores que conforman el parque eólico. Se muestra a continuación una tabla de resultados correspondientes a distintos indicadores de medida de la producción eólica anual, para tener un detalle de la producción media de agua diaria, y la producción eólica con respecto a los MW nominales del parque eólico tanto anual como diaria: Estac. Met. Producción eólica anual [MWh/año] Producción de agua [m³/año] Producción diaria media de agua [m³/d] Producción eólica anual [MWh/año/MWnom] Producción diaria media de agua por MWnom [m³/d/MW] 6 4.9E+04 1.4E+07 3.8E+04 1.5E+03 1.1E+03 12 7.0E+04 1.9E+07 5.3E+04 2.1E+03 1.6E+03 1 6.6E+04 1.8E+07 5.0E+04 2.0E+03 1.5E+03 15 7.3E+04 2.0E+07 5.5E+04 2.2E+03 1.7E+03 16 4.2E+04 1.2E+07 3.2E+04 1.3E+03 9.6E+02 14 2.8E+04 7.7E+06 2.1E+04 8.4E+02 6.4E+02 13 5.3E+04 1.5E+07 4.0E+04 1.6E+03 1.2E+03 2 4.3E+04 1.2E+07 3.3E+04 1.3E+03 9.9E+02 4 7.2E+04 2.0E+07 5.5E+04 2.2E+03 1.7E+03 Tabla 16. Resultados diarios y anuales de producción eólica y de agua en planta de desalación. Cálculo estimado de la producción en aerogeneradores 55 En el desglose del cálculo eólico se puede contemplar la gran diferencia entre la producción diaria media de agua por MW nominal instalado obtenida en la zona sur y la zona norte de cada isla, como por ejemplo en el caso de Tenerife y Fuerteventura. Estos resultados demuestran que el recurso eólico es mayormente aprovechable en las zonas del norte de las islas. Cálculo estimado de producción fotovoltaica 56 5 CÁLCULO ESTIMADO DE PRODUCCIÓN FOTOVOLTAICA 5.1 Cálculo de la superficie necesaria para instalación fotovoltaica Se procede a determinar el área que se necesita para cubrir la producción anual mediante el recurso solar en diferentes localizaciones, que dependerá de las estaciones meteorológicas. Cada estación tendrá distintos parámetros de DNI (Irradiancia normal directa), elevación solar, azimut, temperatura, radiación y velocidad de viento. Por tanto, se calculará la superficie en cada caso para estudiar la viabilidad de una instalación fotovoltaica y abastecer el consumo de la planta desaladora. Se toma un PR fotovoltaico de 77%. Este factor se denomina coeficiente de rendimiento (Performance Ratio), y es una magnitud independiente del lugar de ubicación que expresa la relación entre el rendimiento real y el rendimiento nominal de la instalación fotovoltaica. Indica la proporción de energía disponible para la alimentación tras descontar pérdidas energéticas y el consumo de la operación. Para el cálculo de la superficie necesaria en cada localización, se utiliza la siguiente expresión: Producción anual=DNI · Superficie · PR Se dispone de la producción energética necesaria en la planta de desalación, los datos de irradiancia de cada zona, y el PR de 77%. Mediante unos ficheros recopilatorios de datos de radiación por islas, se realiza el cálculo de la superficie en estudio de las estaciones correspondientes. En la siguiente tabla se muestran los resultados de área necesaria en cada uno de los casos estudiados. Estación DNI (MWh/m²) Producc. Anual (MWh/año) Área Captación (hectáreas) 1 1.99 6.6E+04 4.30 2 1.82 4.3E+04 3.08 4 2.07 7.2E+04 4.54 8 1.81 7.4E+04 5.32 11 1.98 5.5E+04 3.64 16 2.21 4.2E+04 2.46 Tabla 17. Resultados de cálculo en la instalación fotovoltaica. Las estaciones que cuenten con un valor de superficie necesaria superior a cuatro hectáreas no se contemplarán ya que no es posible disponer de esa cantidad de espacio en una isla para llevar a cabo dicha instalación; se requiere menor cantidad de terreno ocupado. Cálculo estimado de producción fotovoltaica 57 5.2 Comparativa de los recursos eólico y fotovoltaico La estación meteorológica más rentable para la instalación de un parque eólico es aquella que cuenta con un mayor valor del factor de escala (velocidad promedio del viento), ya que produce mayor cantidad de energía, por tanto, se concluye que la localización óptima para obtener la mayor producción anual del parque es Valverde, en la isla del Hierro, con un valor de 7.3E+04 MWh/año. En cambio, en el caso de fotovoltaica se analizan las mejores condiciones de radiación solar y aquellas instalaciones que no requieran gran superficie de terreno para su construcción, puesto que no es una solución viable en una isla por la escasa disponibilidad del mismo. Inicialmente, la estación meteorológica que cuenta con mayor valor de producción anual es P.Vargas, pero necesita de un área de captación muy elevada para llevar a cabo su instalación cercana a la zona costera, por lo que la solución a priori más interesante en fotovoltaica será la estación de S.Sebastián, ya que cuenta con un valor de producción elevado correspondiente a 4.2E+04 MWh/año y es la que menor área de captación necesita. Los resultados obtenidos demuestran que será más interesante a nivel productivo aprovechar el recurso eólico cercano a las zonas costeras, ya que se consigue una gran cantidad de energía sin necesidad de disponer de tanto terreno ocupado. En la isla de La Gomera resulta más interesante la instalación fotovoltaica ya que se cuenta con un valor de irradiancia directa normal elevado y un valor de velocidad promedio del viento bajo. Se plantea una posibilidad de solución híbrida para algunas de las islas estudiadas, es decir, aprovechamiento de ambos recursos renovables independientes según las condiciones climatológicas y factores de la distribución Weibul. Como por ejemplo en el caso de la isla de Fuerteventura que cuenta con buenas condiciones de viento, de radiación solar incidente, y además una superficie de captación no elevada. Por tanto, se podría instalar un parque eólico en la parte norte y un parque fotovoltaico en el sur, sin necesidad de ubicar en un sitio fijo la planta desaladora en la isla, para sacar mayor partido de la producción energética. Conclusiones 58 6 CONCLUSIONES La revisión bibliográfica realizada muestra que existe una solución viable de abastecimiento energético a implementar en el marco de las energías renovables para obtener un adecuado aprovechamiento sostenible y producir energía necesaria de manera limpia sin dañar el medio ambiente. Sin embargo, las aplicaciones actuales necesitan de un mayor desarrollo para llegar a ser competitivas en el mercado. La tecnología más interesante y destacada sobre el resto es la ósmosis inversa, siendo maduras las tecnologías de aprovechamiento de desalación mediante ósmosis inversa alimentada por energías eólica y/o fotovoltaica. En este trabajo se adopta la propuesta planteada en la bibliografía para propiciar la desalación solar a gran escala: Instalar una o varias plantas de desalación en los puntos de consumo deseados abasteciéndose de la red eléctrica. Por otra parte, instalar independientemente uno o varios sistemas de energías renovables conectados a red para compensar el consumo de la planta de desalación. Puede utilizarse una metodología de cálculo muy sencilla para disponer de una estimación de la producción de un parque eólico en una localización concreta de la cual se disponga de los parámetros de la distribución de Weibull. Se han analizado un total de dieciséis estaciones meteorológicas correspondientes a seis islas del archipiélago canario. Los parámetros de mayor influencia son el factor de escala, y a su vez la velocidad promedio del viento en cada localización, es decir, los parámetros de la distribución de Weibul. La propuesta de abastecimiento de agua desalada sostenible en Canarias se centra en la instalación de parques eólicos en la parte norte de las islas, ya que cuentan con mejores condiciones de viento para alcanzar una mayor producción de agua en la planta de desalación, y ocupan menor cantidad de terreno que las instalaciones fotovoltaicas para un mismo valor de producción. Estas instalaciones ofrecen la ventaja de poder plantear diferentes proyectos sostenibles de energía con libre elección de gestionabilidad, debido al alcance de producción eólica. Es decir, como el consumo de la planta de desalación queda totalmente cubierto con el parque eólico en estudio, hay un excedente de energía que puede ser aprovechado para verter a la red, por lo que quedaría a libre elección del gobierno de Canarias, en caso de plantear la propuesta, optar por un abastecimiento del 50% de la producción eólica anual mediante los aerogeneradores y verter energía a la red eléctrica. En el análisis realizado, se ha considerado un aporte del 100% de la producción eólica para abastecer la producción de agua potable en la planta de desalación. En un segundo plano, se ha propuesto una solución híbrida con el modelo eólico y fotovoltaico implementados al mismo tiempo para aprovechar entre sí el déficit de ambos recursos según la localización en las islas, como ocurre en el sur de las mismas por falta de elevados valores de velocidad promedio del viento, lo cual se podrá compensar con el recurso fotovoltaico. Las islas cercanas a África son las que mayor cantidad de agua necesitan: Lanzarote, Fuerteventura y Gran Canarias. El incremento de la población y el desarrollo de la agricultura requieren la implantación de la solución híbrida en Gran Canarias y Fuerteventura, y la instalación del parque eólico en Lanzarote, que son las aplicaciones que mayor producción de agua desalada pueden aportar. Referencias 65 [18] V. Romero-Ternero, L. García-Rodríguez y C. Gómez-Camacho, Thermoeconomic analysis of wind powered seawater reverse osmosis desalination in the Canary Islands, Received 14 February 2005; accepted 6 June 2005. [19] S. Vestas Wind y A/S, VESTAS 3_MW_Product_Brochurepdf. [20] M. Mayo, J. Aymamí, A. García, O. Lacave, L. Lledó y S. Parés, Análisis del recurso. Atlas eólico de España, Estudio técnico PER 2011-2020. [21] L. G. Rodríguez, Use of commercial software for SWRO rack design, Febrero, 2017. [22] F. J. Sanz Vargas, Viabilidad de plantas de desalación por ósmosis inversa con aprovechamiento de gradientes salinos y recuperadores iSave (TFG), 2018. [23] L. García Rodriguez, «OSMOSIS DESALINATION TECHNOLOGY: DESCRIPTION»,Máster Universitario en Ingeniería Industrial, Asignatura: Diseño Eficiente en Instalaciones de Desalación de Agua, 2017. [24] V. Romero-Ternero, L. García-Rodríguez y C. Gómez-Camacho, Thermoeconomic analysis of wind powered seawater desalination in the Canary Islands, Desalination, 2005. [25] I. T. Canarias, ITC (Canary Islands Technological Institute) DESSOL®, http://www.itccanarias., 2017. Referencias 66