metodologías biomasa minihidráulica_ciemat
TRANSCRIPT
Metodologías para la Localización Óptimade Centrales de Biomasa y Minihidraúlica
como Recursos Energéticos Renovablesen la Comarca de El Bierzo
Carlos de la Paz Blanco, CIEMAT
Índice de ContenidosIntroducciónEstado del Arte y JustificaciónObjetivosRecursos y FuentesMetodología y ResultadosConclusiones
Introducción
Introducción
• El paso previo dentro del dimensionado de instalaciones o sistemas que aprovechan algún tipo de fuente energética es:
• Valoración del recurso
• Localización de emplazamientos
Ambas cuestiones están condicionadas por factores de carácter geográfico
TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN GEOGRÁFICA
Estado del Arte y JustificaciónBiomasa Forestal
MinihidráulicaElección de la Zona de Estudio
Estado del Arte y Justificación
• Este estudio esta basado en dos energías renovables con futuro:
• Biomasa Forestal
• Minihidráulica
Tecnología que no ha aprovechado todo su potencial energético
Tecnología consolidada y eficiente de menor impacto ambiental que la hidráulica tradicional
Estado del Arte y Justificación
BIOMASA FORESTAL
• Definición Biomasa: “todo material de origen biológico excluyendo aquellos que han sido englobados en formaciones geológicas sufriendo un proceso de mineralización”.
• Ventajas de la Biomasa
Disponibilidad constante (Almacenable)Reducción del riesgo de incendios forestalesReconversión de energías tradicionalesCreación de empleo
• Recurso de la Biomasa Forestal: Residuos forestales generados en las operaciones silvícolas de limpieza, poda y cortas parciales o finales de los montes.
Estado del Arte y Justificación
MINIHIDRÁULICA
• Definición Minihidráulica: Aprovechamiento que utiliza la energía hidráulica para generar energía eléctrica mediante un salto de agua entre dos niveles de altura en un cauce. Cuando el agua cae del nivel superior al inferior, pasa por una turbina hidráulica que transforma la energía hidráulica en energía eléctrica.
• Tipos de aprovechamiento Caudal fluyenteCaudales en parte retenidos
• Recurso de la Minihidráulica: Caudal de agua y desnivel del terreno
• Ventajas del Caudal Fluyente: Menor impacto ambiental que los aprovechamientos con caudales retenidos.
Estado del Arte y Justificación
ELECCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO
• Para encuadrar este trabajo en un lugar concreto, se ha optado por la selección de una comarca de la provincia de León, El Bierzo.
ObjetivosObjetivo Principal
Objetivos Parciales
Objetivos
• Localización de zonas óptimas para la instalación de centrales de Biomasa Forestal y Minihidraúlica que puedan generar energía eléctrica y estén conectadas a la red.
METODOLOGÍAS DE EVALUACIÓN MULTICRITERIO (EMC)
DATOS
Factores Restricciones
OBJETIVO PRINCIPAL
EMPLAZAMIENTOS ÓPTIMOS
Objetivos
OBJETIVOS
• Obtención de las zonas que presentan mayor aptitud para el aprovechamiento del recurso (Demanda de biomasa forestal).
BIOMASA FORESTAL
• Obtención de enclaves idóneos para el emplazamiento de centrales de Biomasa Forestal (Oferta de localizaciones para las instalaciones).
• Obtención de modelos de localización-asignación con análisis de redes que ubiquen las instalaciones de modo que su suministro desde los puntos de demanda sea lo más eficiente posible.
Objetivos
OBJETIVOS
MINIHIDRÁULICA
Obtención de dos modelos comparativos:
• Modelo generado a partir de datos de caudal obtenidos de la Confederación Hidrográfica del Miño-Sil.
• Modelo generado a partir de datos pluviométricos obtenidos de estaciones de la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET) y del modelo digital del terreno de la zona de estudio, aplicando herramientas de hidrología del software ArcGIS.
Recursos y Fuentes
Recursos y Objetivos
• Recursos:
• Fuentes:
Metodología y ResultadosMetodología y Resultados: Biomasa Forestal
Metodología y Resultados: Minihidráulica
Metodología y Resultados: Biomasa Forestal
Metodología para Biomasa
ForestalEl esquema de la
metodología para la localización de centrales
de Biomasa Forestal se compone de tres bloques.
Metodología y Resultados: Biomasa Forestal
Procesos para la obtención de las
zonas aptas de aprovechamiento
del recurso
Factores para la estimación del Recurso
• Formato raster (pixel 100 x 100 m)
• Factores obtenidos: Biomasa disponible
Pendientes
Desembosque
Normalización de Factores• Estandarización de los factores en
una misma escala
• Ecuación de transformación lineal
fi = valor del factor normalizado
vi = valor origen del factor
vmax = valor máximo del raster a normalizar
vmin = valor mínimo del raster que vamos a normalizar
c = rango de estandarización (c=255)
Metodología y Resultados: Biomasa Forestal
Asignación de Pesos a cada Factor• Ponderación de los factores de forma que
pesen más en el modelo aquéllos que son considerados más importantes, en base a
criterios técnicos y medioambientales.
FACTORES INDICADOR PESO
Biomasa Disponible Cantidad de Residuo 0,45
Pendiente Desnivel en porcentaje 0,30
Desembosque Distancia a Red Viaria 0,25
Suma Lineal Ponderada• Sumatorio de los factores
normalizados multiplicados por su correspondiente peso.
Restricciones sobre el Recurso
• Las restricciones son criterios que limitan la posibilidad de
considerar alguna opción, excluyéndola de forma
definitiva.
• Son capas booleanas (1 y 0)
• Restricciones:
Pendientes
Desembosque
Biomasa entorno a los cauces
Espacios Naturales Protegidos
Resultado de las zonas aptas para el aprovechamiento del recurso
• Es el producto de la SLP por el resultado de la intersección de todas las restricciones.
Mapa raster
Raster
To PointCapa vectorial de puntos
PUNTOS DE DEMANDA DE BIOMASA FORESTAL
ANÁLISIS DE REDES
Flujo del proceso en Model Buiderpara la obtención
de las zonas aptas para el
aprovechamiento del recurso
Metodología y Resultados: Biomasa Forestal
Procesos para la obtención de
emplazamientos aptos para
instalaciones de Biomasa Forestal
Restricciones sobre la ubicación de Instalaciones• La selección de emplazamientos
idóneos para la localización de centrales de Biomasa se realiza
mediante intersección booleana.
• Restricciones:
Red Eléctrica
Espacios Naturales Protegidos
Infraestructuras Viarias
Usos del Suelo
Resultado de los emplazamientos para las instalaciones
• Es el producto de la intersección de todas las restricciones.
Mapa raster
Raster
To PointCapa vectorial de puntos
PUNTOS DE OFERTA DE INSTALACIONES
ANÁLISIS DE REDES
Flujo del proceso en Model Buider
de la obtención de emplazamientos para
las instalaciones de Biomasa Forestal
Metodología y Resultados: Biomasa Forestal
Obtención de soluciones para la ubicación de instalaciones
mediante modelos de Localización–Asignación
(Análisis de Redes)
• Definición de los Modelos de Localización-Asignación: Análisis que permite ubicar las instalaciones de modo que su suministro desde los puntos de demanda (recurso) sea lo más eficiente posible.
• Distancias de transporte exactas a través de la red viaria.
• Los elementos del modelo de localización-asignación son los siguientes:• Puntos de demanda (ponderados): Zonas aptas para el aprovechamiento de
Biomasa Forestal.• Puntos de oferta: Emplazamientos óptimos para las instalaciones de Biomasa
Forestal.• Cálculo de distancias: A través de la red de transporte.
Metodología y Resultados: Biomasa Forestal
Límite de cobertura para las instalaciones
(Valor límite de impedancia)
Maximizar Cobertura
Abarca la mayor demanda posible de Biomasa Forestal
25 km a través de la red
Soluciones obtenidas según nº de Instalaciones
1 Instalación2 Instalaciones3 Instalaciones4 Instalaciones
Parámetros a introducir en el modelo de Localización-Asignación
Metodología y Resultados: Biomasa Forestal
Metodología y Resultados: Biomasa Forestal
Interpretación de los resultados de las soluciones obtenidas
SolucionesSuperficie de biomasa
cubierta por las instalaciones (ha)
Recurso valorado (EMC) cubierto
(%)
Distancia media desde las instalaciones a los puntos
de demanda (km)
1 Instalación 20.542 47,50% 18
2 Instalaciones 29.361 66,78% 16
3 Instalaciones 35.251 79,58% 15,7
4 Instalaciones 39.034 88,24% 14,5
Metodología y Resultados: Minihidráulica
Metodología para Minihidráulica
Esta metodología se compone de dos modelos distintos que utilizan el
mismo proceso de Evaluación Multicriterio:
• Modelo generado a partir de datos de caudal.
• Modelo generado a partir de datos pluviométricos y del MDT
de la zona de estudio.
Metodología y Resultados: Minihidráulica
Resumen de la Metodología para Minihidráulica
• La diferencia sustancial entre los dos modelos estudiados se basa en los datos de inicio y herramientas aplicadas
para estimar el factor principal de la EMC (La fuente energética).
MODELOS FACTOR PRINCIPAL DIFERENCIAL DEL EMC
FACTORES COMUNES DEL EMC
RESTRICCIONES COMUNES DEL EMC
MODELO 1 Caudal Hidroeléctrico Potencial
Desnivel o Salto BrutoDistancia a Subestaciones EléctricasDistancia a la Red EléctricaHábitats PrioritariosDistancia a Red Fluvial
PendientesRed y Subestaciones
EléctricasRed Fluvial
Espacios Naturales ProtegidosMODELO 2 Flujo Acumulado
Hidroeléctrico Potencial
Factor Principal: Modelo 1
Respetar Caudal MínimoMedioambiental
(Décima parte del C.M.I)
Puntos de CaudalHidroeléctrico
Potencial
Datos de los Puntos de Caudal
(CHMS)
InterpolaciónMétodo Kriging
Metodología y Resultados: Minihidráulica
Factor Principal: Modelo 2
MDT de la zona de estudio
Herramientas de Hidrología de ArcGIS Raster de acumulación
de flujo
Datos de pluviometría(Estaciones AEMET)
InterpolaciónMétodo Kriging Raster de
precipitaciones
Acumulación de flujo ponderado por la precipitación
(Hipótesis del caudal acumulado)
Factor Principal: Modelo 2. Datos pluviométricos
INTERPOLACIÓN MÉTODO KRIGING
Kriging ordinario modificado
Kriging ordinario por defecto
Factor Principal: Modelo 2. Modelo Digital del Terreno
HERRAMIENTAS DE HIDROLOGÍA
Rellenar/Fill: Rellena los sumideros
Sumidero/Sink: Valor del MDT incorrecto
Dirección de Flujo/Flow Direction: Raster de las direcciones de flujo de la red fluvial
Acumulación de Flujo/ Flow Accumulation: Raster del flujo acumulado para cada celda
Factores Comunes a ambos modelosDesnivel o Salto Bruto
Distancia a Subestaciones Eléctricas
Distancia a la Red Eléctrica
Hábitats Prioritarios
Distancia a Red Fluvial
Metodología y Resultados: Minihidráulica
Asignación de Pesos a cada Factor
FACTORES INDICADOR PESO
Caudal (Modelo 1)
Flujo (Modelo 2)
Caudal hidroeléctrico potencial
(Modelo 1)
Flujo acumulado hidroeléctrico potencial
(Modelo 2)0,30
Salto Bruto Desnivel en porcentaje 0,25
Subestaciones Eléctricas Distancia a Subestaciones Eléctricas 0,15
Red Eléctrica Distancia a la Red Eléctrica 0,10
Hábitats Prioritarios Lejanía Hábitats Prioritarios 0,15
Red Fluvial Distancia a Red Fluvial 0,05
Suma Lineal Ponderada• Raster ponderado con las zonas con una capacidad de acogida
más alta para la ubicación de centrales de Minihidráulica.
Restricciones de emplazamientos
Pendientes
Red Eléctrica
Red Fluvial
Espacios Naturales Protegidos
Metodología y Resultados: Minihidráulica
• Es el producto de la SLP por el resultado de la intersección de todas las restricciones.
• Mapa raster compuesto de celdas de 25 x 25 m con las zonas con una capacidad de acogida ponderada para la ubicación de centrales de Minihidráulica.
• El resultado final son dos Mapas de Viabilidad para instalaciones de Minihidráulica en función de los dos modelos estudiados:
Resultado de Emplazamientos Óptimos
Flujo del proceso en Model Buider para el Modelo 1
Flujo del proceso en Model Buider para el Modelo 2
Conclusiones
Conclusiones
• Mediante el uso de diversas herramientas en un entorno SIG (Análisis Espacial, Análisis de Redes, Análisis Geoestadístico, Hidrología etc.) se han obtenido metodologías de Evaluación Multicriterio con las que localizar zonas óptimas para la instalación de centrales de Biomasa Forestal y Minihidraúlica.
• Biomasa Forestal• Cartografía de las zonas que presentan mayor aptitud para el aprovechamiento del recurso (biomasa
forestal disponible).
• Minihidráulica
Modelo 1. A partir de datos de caudal. Modelo 2. A partir de datos pluviométricos y del MDT de la zona de estudio.
• Cartografía de las localizaciones idóneas para el emplazamiento de instalaciones de Biomasa Forestal.• Ubicación de instalaciones mediante modelos de Localización-Asignación, de modo que su suministro
desde los puntos de demanda (biomasa disponible) sea más eficiente; permitiendo además, conocer las distancias de transporte exactas a través de la red viaria.
• Se han obtenido dos modelos para la localización de centrales de Minihidráulica:
• Se han comparado los dos modelos de metodología desarrollados para evaluar su similitud. Ambos modelos presentan resultados parejos, lo que supone la posibilidad de exportar el modelo de flujo acumulado a zonas que tienen una información de aforos de caudales escasa o nula, atribuyendo un mayor ámbito de aplicación a este modelo.
Conclusiones
• Líneas de Trabajo Futuras y en Desarrollo
• Cálculo del Salto Bruto mediante la utilización de Perfiles Longitudinales y otras herramientas que permitan deducir la energía potencial media (kW/año) en las zonas óptimas seleccionadas para la ubicación de centrales de Minihidráulica.
• Finalmente, se puede afirmar que los SIG pueden ser una herramienta determinante para la caracterización de las fuentes o recursos energéticos y para la localización óptima de instalaciones que aprovechen esos recursos. En consecuencia, los SIG permiten realizar análisis para la obtención de cartografía del recurso energético y conseguir un primer acercamiento a los trabajos de localización.
P= 9,81 * Q * Hn * e
• Cálculo de la cantidad total (ton/año) de Biomasa Forestal potencial cubierta por cada central, así como la posibilidad de obtener la cantidad de energía potencial (kW/año) que generaría cada central, en función de los Poderes Caloríficos de las especies forestales aprovechadas.
Gracias por su asistencia• Bibliografía
• COITF (2011) «Principales obstáculos y retos para el desarrollo comercial de la biomasa forestal». Colegio Oficial de Ingenieros Técnicos Forestales. Sevilla.
• Domínguez, J. (2000). «Análisis de la producción potencial de energía con Biomasa en la región de Andalucía (España) utilizando Sistemas de Información Geográfica».
• Domínguez, J. (2002). «Los Sistemas de Información Geográfica en la Planificación e Integración de Energías Renovables» [Libro]. - Madrid : CIEMAT, 2002. - Vol. I.
• ESHA (2006). «Guía para el desarrollo de una pequeña central hidroeléctrica». European Small Hydropower Association.
• EEA (2006). «How much bioenergy can Europe produce without harming the environment?» European Environment Agency. Copenhagen.
• Esteban, L.S., García, R., Cabezón, R., Carrasco, J.E. (2008). «Plan de Aprovechamiento Energético de la Biomasa en las comarcas de El Bierzo y Laciana (León) ». Centro de Desarrollo de Energías Renovables (CEDER) perteneciente al Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).
• Esteban, L.S., García, R., Carrasco, J. (2008). «Biomass Resources and Costs in Spain and Southern EU Countries. Towards a Common Methodology and Assessment», en Schmid, J., Grimm, H.P., Helm, P. y Grassi, A. (Ed.): Proceedings of the 16th European Biomass Conference and Exhibition. Florence, ETA-Renewable Energies.
• Garañeda, R.J. y Bengoa, L. (2005) «Estudio de disponibilidad de biomasa en seis zonas de Castilla y León», en S.E.C.F. (Ed.): La ciencia forestal: respuestas para la sostenibilidad. 4º Congreso Forestal Español. Zaragoza, Sociedad Española de Ciencias
• García-Martín, A., García Galindo, D., Pascual, J., De la Riva, J., Pérez-Cabello, F. y Montorio, R. (2011). «Determinación de zonas adecuadas para la extracción de biomasa residual forestal en la provincia de Teruel mediante SIG y teledetección», GeoFocus (Artículos), Nº 11.
• IFN-2 (1986-1996). «Segundo Inventario Nacional Forestal». Ministerio de Medio Ambiente. Edit. Dirección General de Conservación de la Naturaleza.
• IDAE (2005). «Energía de la biomasa». Madrid, Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, Ministerio de Industria, Turismo y Comercio.
• IDAE (2007). «Energía de la biomasa». Madrid, Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, Ministerio de Industria, Turismo y Comercio.
• Jarabo Friedrich, F. (1999). «La energía de la biomasa». Madrid, S.A.P.T. Publicaciones Técnicas.• López-Rodríguez F., Atanet C.P., Blázquez F.C., Celma A.R. (2009). «Spatial assessment of the bioenergy potential of
forest residues in the western province of Spain, Caceres». • Lorente, J.M. (2009). «Situación energética y sector forestal: un análisis desde la perspectiva aragonesa», Foresta.• MFE50 (2007) «Mapa Forestal de España». Banco de Datos de la Naturaleza, Ministerio de Medio Ambiente.• Montero, G., Ruiz-Peinado, R., Muñoz, M. (2005). «Producción de biomasa y fijación de CO2 en los bosques
españoles». Monografías INIA, Nº 13.• Velázquez, B. (2006). «Situación de los sistemas de aprovechamiento de los residuos forestales para su utilización
energética», Ecosistemas.
Carlos de la Paz BlancoColaborador en el CIEMAT en la aplicación de las TIG a las Energías RenovablesMáster en Tecnologías de la Información Geográfica (UCM)Ingeniero Técnico Agrícola (UPM)
E-Mail: [email protected] Linked In: es.linkedin.com/pub/carlos-de-la-paz-blanco/47/9a7/770