Las fuentes de energía renovables, como la solar , la eólica , la maremotriz , la hidroeléctrica , la biomasa y la geotérmica , se han convertido en sectores importantes del mercado energético. [1] [2] El rápido crecimiento de estas fuentes en el siglo XXI ha sido impulsado por el aumento de los costos de los combustibles fósiles , así como por sus problemas de impacto ambiental , que redujeron significativamente su uso.
El cobre desempeña un papel importante en estos sistemas de energía renovable. [3] [4] [5] [6] [7] El uso de cobre en promedio es hasta cinco veces mayor en los sistemas de energía renovable que en la generación de energía tradicional, como las plantas de combustibles fósiles y nucleares . [8] Dado que el cobre es un excelente conductor térmico y eléctrico entre los metales de ingeniería (solo superado por la plata), [9] los sistemas eléctricos que utilizan cobre generan y transmiten energía con alta eficiencia y con un impacto ambiental mínimo.
Al elegir conductores eléctricos, los ingenieros y planificadores de instalaciones tienen en cuenta los costos de inversión de capital de los materiales frente a los ahorros operativos debidos a su eficiencia energética a lo largo de su vida útil, además de los costos de mantenimiento. El cobre suele tener un buen desempeño en estos cálculos. Un factor llamado "intensidad de uso del cobre" es una medida de la cantidad de cobre necesaria para instalar un megavatio de nueva capacidad de generación de energía.
Al planificar una nueva instalación de energía renovable, los ingenieros y los especificadores de productos intentan evitar la escasez de suministro de materiales seleccionados. Según el Servicio Geológico de los Estados Unidos , las reservas de cobre bajo tierra han aumentado más del 700% desde 1950, de casi 100 millones de toneladas a 720 millones de toneladas en 2017, a pesar del hecho de que el uso mundial de cobre refinado se ha más que triplicado en los últimos 50 años. [10] Se estima que los recursos de cobre superan los 5.000 millones de toneladas. [11] [12]
El suministro de cobre extraído se ve reforzado por el hecho de que más del 30 por ciento del cobre instalado entre 2007 y 2017 provino de fuentes recicladas. [13] Su tasa de reciclaje es más alta que la de cualquier otro metal. [14]
La mayor parte del uso del cobre, en todo el mundo, se destina al cableado eléctrico, incluidas las bobinas de generadores y motores.
El cobre desempeña un papel más importante en la generación de energía renovable que en las centrales térmicas convencionales en términos de toneladas de cobre por unidad de potencia instalada. [15] La intensidad del uso de cobre en los sistemas de energía renovable es de cuatro a seis veces mayor que en las plantas de combustibles fósiles o nucleares. Así, por ejemplo, mientras que la energía convencional requiere aproximadamente una tonelada de cobre por megavatio (MW) instalado, las tecnologías renovables como la eólica y la solar requieren de cuatro a seis veces más cobre por MW instalado. Esto se debe a que el cobre se distribuye en áreas de tierra mucho más grandes, en particular en las plantas de energía solar y eólica. [16] Los cables de alimentación y de puesta a tierra deben recorrer grandes distancias para conectar componentes que están ampliamente dispersos, incluidos los sistemas de almacenamiento de energía y la red eléctrica principal. [17] [8]
Los sistemas de energía eólica y solar fotovoltaica tienen el mayor contenido de cobre de todas las tecnologías de energía renovable. Un solo parque eólico puede contener entre 2000 y 7000 toneladas de cobre. Una planta de energía solar fotovoltaica contiene aproximadamente 5,5 toneladas de cobre por megavatio de generación de energía. [18] Se estima que una sola turbina de 660 kW contiene alrededor de 800 libras (350 kg) de cobre. [19]
Se estima que la cantidad total de cobre utilizada en la generación de electricidad distribuida y basada en fuentes renovables en 2011 fue de 272 kilotoneladas (kt). El uso acumulado de cobre hasta 2011 se estimó en 1.071 kt.
Los conductores de cobre se utilizan en los principales componentes de energía eléctrica renovable, como turbinas , generadores , transformadores , inversores , cables eléctricos , electrónica de potencia y cables de información. El uso de cobre es aproximadamente el mismo en turbinas/generadores, transformadores/inversores y cables. Se utiliza mucho menos cobre en la electrónica de potencia.
Los sistemas de calefacción y refrigeración con energía solar térmica dependen del cobre por sus beneficios en términos de eficiencia energética térmica. El cobre también se utiliza como material especial resistente a la corrosión en sistemas de energía renovable en entornos húmedos, corrosivos y salinos .
El cobre es un material sostenible, 100% reciclable y con una tasa de reciclaje mayor que cualquier otro metal. [18] Al final de la vida útil de un equipo, su cobre se puede reciclar sin perder sus propiedades beneficiosas.
En los sistemas fotovoltaicos hay entre once y cuarenta veces más cobre por unidad de generación que en las plantas convencionales de combustibles fósiles. [24] El uso de cobre en los sistemas fotovoltaicos promedia alrededor de 4-5 toneladas por MW [25] [8] o más si se consideran las tiras de cinta conductora que conectan las celdas fotovoltaicas individuales. [22]
El cobre se utiliza en:
Se estimó que el cobre utilizado en sistemas fotovoltaicos en 2011 fue de 150 kt. Se estimó que el uso acumulado de cobre en sistemas fotovoltaicos hasta 2011 fue de 350 kt. [22]
Los sistemas solares fotovoltaicos (PV) son altamente escalables, y van desde pequeños sistemas en azoteas hasta grandes centrales fotovoltaicas con capacidades de cientos de megavatios . En los sistemas residenciales, la intensidad del cobre parece ser linealmente escalable con la capacidad del sistema de generación eléctrica. [26] Los sistemas residenciales y comunitarios generalmente tienen una capacidad que va desde 10 kW a 1 MW.
Las células fotovoltaicas se agrupan en módulos solares . Estos módulos se conectan a paneles y luego a conjuntos fotovoltaicos. En un sistema de energía fotovoltaica conectado a la red , los conjuntos pueden formar subcampos desde los cuales se recoge la electricidad y se transporta hacia la conexión a la red.
Los cables solares de cobre conectan módulos (cable de módulo), conjuntos de paneles (cable de conjunto de paneles) y subcampos (cable de campo). Independientemente de si un sistema está conectado a la red o no, la electricidad que recogen las células fotovoltaicas debe convertirse de CC a CA y aumentarse el voltaje. Esto se hace mediante inversores solares que contienen bobinados de cobre, así como con electrónica de potencia que contiene cobre.
La industria fotovoltaica utiliza varios materiales semiconductores diferentes para la producción de células solares y a menudo los agrupa en tecnologías de primera y segunda generación, mientras que la tercera generación incluye una serie de tecnologías emergentes que aún se encuentran en la fase de investigación y desarrollo. Las células solares suelen convertir el 20% de la luz solar incidente en electricidad, lo que permite la generación de 100 a 150 kWh por metro cuadrado de panel por año. [27]
La tecnología convencional de silicio cristalino (c-Si) de primera generación incluye silicio monocristalino y silicio policristalino . Para reducir los costos de esta tecnología basada en obleas, las células solares de silicio en contacto con cobre están surgiendo como una alternativa importante a la plata como material conductor preferido. Los desafíos con la metalización de células solares radican en la creación de una capa homogénea y de alto valor cualitativo entre el silicio y el cobre que sirva como barrera contra la difusión del cobre en el semiconductor . La metalización frontal basada en cobre en células solares de silicio es un paso significativo hacia un menor costo. [28]
La tecnología de segunda generación incluye células solares de película delgada . A pesar de tener una eficiencia de conversión ligeramente inferior a la tecnología fotovoltaica convencional, el costo total por vatio sigue siendo menor. Las tecnologías de película delgada comercialmente significativas incluyen células solares de seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y fotovoltaicas de telururo de cadmio (CdTe), mientras que las células en tándem de silicio amorfo (a-Si) y silicio micromorfo (m-Si) están siendo lentamente superadas en los últimos años.
El CIGS, que en realidad es diseleniuro de cobre (indio-galio), o Cu(InGa)Se 2 , se diferencia del silicio en que es un semiconductor de heterojunción . Tiene la mayor eficiencia de conversión de energía solar (~20 %) entre los materiales de película delgada. [29] Debido a que el CIGS absorbe fuertemente la luz solar, se requiere una película mucho más delgada que con otros materiales semiconductores.
Se ha desarrollado un proceso de fabricación de células fotovoltaicas que permite imprimir semiconductores CIGS. Esta tecnología tiene el potencial de reducir el precio por vatio solar suministrado.
Se están investigando nanocristales de sulfuro de cobre monodispersos como alternativas a los monocristales y películas delgadas convencionales para dispositivos fotovoltaicos. Esta tecnología, que todavía está en sus inicios, tiene potencial para celdas solares sensibilizadas con colorante , celdas solares totalmente inorgánicas y celdas solares híbridas de nanocristales y polímeros compuestos. [30]
Los sistemas de generación solar cubren grandes áreas. Existen muchas conexiones entre módulos y conjuntos, y conexiones entre conjuntos en subcampos y enlaces a la red. Los cables solares se utilizan para cablear plantas de energía solar. [31] La cantidad de cableado involucrado puede ser sustancial. Los tamaños típicos de cables de cobre utilizados son 4–6 mm2 para cables de módulo, 6–10 mm2 para cables de conjunto y 30–50 mm2 para cables de campo. [27]
La eficiencia energética y la energía renovable son pilares gemelos de un futuro energético sostenible. Sin embargo, existe poca vinculación entre estos pilares a pesar de sus posibles sinergias. Cuanto más eficientemente se presten los servicios energéticos, más rápido puede la energía renovable convertirse en un contribuyente eficaz y significativo de la energía primaria. Cuanto más energía se obtenga de fuentes renovables, menos energía de combustibles fósiles se necesitará para satisfacer esa misma demanda energética. [32] Esta vinculación de la energía renovable con la eficiencia energética depende en parte de los beneficios de la eficiencia energética eléctrica del cobre.
Aumentar el diámetro de un cable de cobre aumenta su eficiencia energética eléctrica (ver: Cables y alambres de cobre ) . Los cables más gruesos reducen la pérdida resistiva (I2R ) , lo que afecta la rentabilidad de por vida de las inversiones en sistemas fotovoltaicos. Se necesitan evaluaciones de costos complejas, que tengan en cuenta los costos adicionales de los materiales, la cantidad de radiación solar dirigida a los módulos solares por año (teniendo en cuenta las variaciones diurnas y estacionales, los subsidios, las tarifas, los períodos de recuperación, etc.) para determinar si se justifican inversiones iniciales más altas para cables más gruesos.
Dependiendo de las circunstancias, algunos conductores en sistemas fotovoltaicos pueden especificarse con cobre o aluminio . Al igual que con otros sistemas de conducción eléctrica, cada uno tiene sus ventajas (ver: Cables y alambres de cobre ) . El cobre es el material preferido cuando las características de alta conductividad eléctrica y la flexibilidad del cable son de suma importancia. Además, el cobre es más adecuado para instalaciones de techos pequeños, en bandejas de cables más pequeñas y cuando se realizan conductos en tuberías de acero o plástico . [22]
En las instalaciones eléctricas más pequeñas, donde los cables de cobre tienen un espesor inferior a 25 mm2 , no es necesario utilizar conductos para cables . Sin conductos, los costes de instalación son más bajos con el cobre que con el aluminio. [22]
Las redes de comunicación de datos se basan en cobre, fibra óptica y/o enlaces de radio . Cada material tiene sus ventajas y desventajas. El cobre es más confiable que los enlaces de radio. La atenuación de la señal con cables y alambres de cobre se puede resolver con amplificadores de señal . [22]
La energía solar de concentración (CSP), también conocida como electricidad solar térmica (STE), utiliza conjuntos de espejos que concentran los rayos del sol a temperaturas entre 400 0 C y 1000 0 C. [27] La energía eléctrica se produce cuando la luz concentrada se convierte en calor, que impulsa un motor térmico (generalmente una turbina de vapor ) conectado a un generador de energía eléctrica.
Un sistema CSP consta de: 1) un concentrador o colector que contiene espejos que reflejan la radiación solar y la entregan al receptor; 2) un receptor que absorbe la luz solar concentrada y transfiere energía térmica a un fluido de trabajo (generalmente un aceite mineral o, más raramente, sales fundidas , metales , vapor o aire ); 3) un sistema de transporte y almacenamiento que pasa el fluido desde el receptor al sistema de conversión de energía; y 4) una turbina de vapor que convierte la energía térmica en electricidad según la demanda.
El cobre se utiliza en cables de energía de campo , redes de puesta a tierra y motores para el seguimiento y bombeo de fluidos, así como en el generador principal y transformadores de alta tensión . Normalmente, se necesitan unas 200 toneladas de cobre para una planta de energía de 50 MW. [21]
Se ha estimado que el uso de cobre en plantas de energía solar térmica concentrada fue de 2 kt en 2011. El uso acumulado de cobre en estas plantas hasta 2011 se estimó en 7 kt. [21]
Hay cuatro tipos principales de tecnologías CSP, cada una de las cuales contiene una cantidad diferente de cobre: plantas de canal parabólico, plantas de torre, sistemas de absorción lineal distribuidos que incluyen plantas lineales Fresnel y plantas de plato Stirling. [21] Aquí se describe el uso de cobre en estas plantas.
Las plantas de captación de energía solar por colectores cilindroparabólicos son la tecnología de CSP más común y representan aproximadamente el 94% de la potencia instalada en España. Estas plantas recogen la energía solar en concentradores cilindroparabólicos con tubos colectores lineales. Los fluidos caloportadores suelen ser aceites sintéticos que circulan por los tubos a temperaturas de entrada y salida de entre 300 °C y 400 °C. La capacidad de almacenamiento típica de una instalación de 50 MW es de 7 horas a potencia nominal. Una planta de este tamaño y capacidad de almacenamiento puede generar 160 GWh/año en una región como España.
En las plantas de colectores cilindroparabólicos, el cobre se especifica en el campo de colectores solares (cables de potencia, señales, puesta a tierra, motores eléctricos); ciclo de vapor (bombas de agua, ventiladores de condensadores, cableado a puntos de consumo, señal de control y sensores, motores), generadores de electricidad (alternador, transformador) y sistemas de almacenamiento (bombas de circulación, cableado a puntos de consumo). Una planta de 50 MW con 7,5 horas de almacenamiento contiene aproximadamente 196 toneladas de cobre, de las cuales 131.500 kg están en cables y 64.700 kg en equipos diversos (generadores, transformadores, espejos y motores). Esto se traduce en unas 3,9 toneladas/MW, o, en otros términos, 1,2 toneladas/GWh/año. Una planta del mismo tamaño sin almacenamiento puede tener un 20% menos de cobre en el campo solar y un 10% menos en los equipos electrónicos. Una planta de 100 MW tendrá un 30% menos de contenido relativo de cobre por MW en el campo solar y un 10% menos en equipos electrónicos. [21]
Las cantidades de cobre también varían según el diseño. El campo solar de una planta de energía típica de 50 MW con 7 horas de capacidad de almacenamiento consta de 150 bucles y 600 motores, mientras que una planta similar sin almacenamiento utiliza 100 bucles y 400 motores. Las válvulas motorizadas para el control del flujo másico en los bucles dependen de más cobre. Los espejos utilizan una pequeña cantidad de cobre para brindar protección contra la corrosión galvánica a la capa de plata reflectante. Los cambios en el tamaño de las plantas, el tamaño de los colectores y la eficiencia de los fluidos de transferencia de calor también afectarán los volúmenes de material. [21]
Las plantas de torre , también llamadas plantas de energía de torre central, pueden convertirse en la tecnología CSP preferida en el futuro. Recolectan energía solar concentrada por el campo de helióstatos en un receptor central montado en la parte superior de la torre. Cada helióstato sigue al Sol a lo largo de dos ejes (acimut y elevación). Por lo tanto, se requieren dos motores por unidad.
El cobre es necesario en el campo de los helióstatos (cables de alimentación, señal, puesta a tierra, motores), receptor (calefacción, cables de señal), sistema de almacenamiento (bombas de circulación, cableado a puntos de consumo), generación de electricidad (alternador, transformador), ciclo de vapor (bombas de agua, ventiladores de condensadores), cableado a puntos de consumo, señal de control y sensores, y motores.
Una planta solar de torre de 50 MW con 7,5 horas de almacenamiento utiliza alrededor de 219 toneladas de cobre. Esto se traduce en 4,4 toneladas de cobre/MW o, en otros términos, 1,4 toneladas/GWh/año. De esta cantidad, los cables representan aproximadamente 154.720 kg. Los equipos electrónicos, como generadores, transformadores y motores, representan aproximadamente 64.620 kg de cobre. Una planta de 100 MW tiene un poco más de cobre por MW en el campo solar porque la eficiencia del campo de helióstatos disminuye con el tamaño. Una planta de 100 MW tendrá un poco menos de cobre por MW en el equipo de proceso. [21]
Las plantas lineales Fresnel utilizan reflectores lineales para concentrar los rayos solares en un tubo absorbente similar a las plantas cilindroparabólicas. Como el factor de concentración es menor que en las plantas cilindroparabólicas, la temperatura del fluido caloportador es menor. Por eso la mayoría de las plantas utilizan vapor saturado como fluido de trabajo tanto en el campo solar como en la turbina.
Una planta de energía lineal Fresnel de 50 MW requiere alrededor de 1.960 motores de seguimiento. La potencia requerida para cada motor es mucho menor que la de una planta de colectores cilindroparabólicos. Una planta lineal Fresnel de 50 MW sin almacenamiento contendrá alrededor de 127 toneladas de cobre. Esto se traduce en 2,6 toneladas de cobre/MW, o en otros términos, 1,3 toneladas de cobre/GWh/año. De esta cantidad, 69.960 kg de cobre están en cables del área de proceso, campo solar, protección y controles contra rayos y puesta a tierra. Otros 57.300 kg de cobre están en equipos (transformadores, generadores, motores, espejos, bombas, ventiladores). [21]
Estas plantas son una tecnología emergente que tiene potencial como solución para aplicaciones descentralizadas. La tecnología no requiere agua para enfriar el ciclo de conversión. Estas plantas no son despachables. La producción de energía cesa cuando las nubes pasan por encima. Se están realizando investigaciones sobre sistemas avanzados de almacenamiento e hibridación.
La mayor instalación de Sterling con antena parabólica tiene una potencia total de 1,5 MW. En el campo solar se necesita relativamente más cobre que en otras tecnologías de CSP porque allí se genera electricidad. Si tomamos como base las plantas de 1,5 MW existentes, el contenido de cobre es de 4 toneladas/MW, o, en otros términos, 2,2 toneladas de cobre/GWh/año. Una planta de energía de 1,5 MW tiene unos 6.060 kg de cobre en cables, generadores de inducción, accionamientos, transformadores de campo y de red, puesta a tierra y protección contra rayos. [21]
Los calentadores de agua solares pueden ser una forma rentable de generar agua caliente para los hogares. Pueden utilizarse en cualquier clima. El combustible que utilizan, la luz solar, es gratuito. [33]
Más de 200 millones de hogares y numerosos edificios públicos y comerciales de todo el mundo utilizan colectores solares de agua caliente. [32] La capacidad total instalada de unidades de calefacción y refrigeración solares térmicas en 2010 fue de 185 GW térmicos. [34]
Se estima que la capacidad de calefacción solar aumentó un 27% en 2011 hasta alcanzar aproximadamente 232 GWth, sin contar la calefacción de piscinas sin acristalamiento. La mayor parte de la energía solar térmica se utiliza para calentar agua , pero la calefacción y refrigeración solar de espacios está ganando terreno, en particular en Europa. [32]
Existen dos tipos de sistemas de calentamiento solar de agua: los activos, que cuentan con bombas de circulación y controles, y los pasivos, que no los tienen. Las técnicas solares pasivas no requieren elementos eléctricos o mecánicos en funcionamiento. Incluyen la selección de materiales con propiedades térmicas favorables, el diseño de espacios que hagan circular el aire de forma natural y la referencia de la posición de un edificio con respecto al sol. [27]
El cobre es un componente importante de los sistemas de calefacción y refrigeración solares térmicos debido a su alta conductividad térmica , resistencia a la corrosión atmosférica y del agua, sellado y unión por soldadura y resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en receptores como en circuitos primarios (tuberías e intercambiadores de calor para tanques de agua). [34] Para la placa absorbente , a veces se utiliza aluminio, ya que es más barato, pero cuando se combina con tuberías de cobre, puede haber problemas en lo que respecta a permitir que la placa absorbente transfiera su calor a la tubería de manera adecuada. Un material alternativo que se utiliza actualmente es PEX-AL-PEX [35] pero también puede haber problemas similares con la transferencia de calor entre la placa absorbente y las tuberías. Una forma de evitar esto es simplemente utilizar el mismo material tanto para la tubería como para la placa absorbente. Este material puede ser cobre, por supuesto, pero también aluminio o PEX-AL-PEX.
Se utilizan tres tipos de colectores solares térmicos para aplicaciones residenciales: colectores de placa plana , colectores integrales de almacenamiento y colectores solares térmicos: Colectores de tubos de vacío ; Pueden ser sistemas de circulación directa (es decir, calientan el agua y la llevan directamente a la casa para su uso) o de circulación indirecta (es decir, las bombas calientan un fluido de transferencia a través de un intercambiador de calor, que luego calienta el agua que fluye hacia la casa). [33]
En un calentador de agua solar con tubos de vacío con un sistema de circulación indirecta, los tubos de vacío contienen un tubo exterior de vidrio y un tubo absorbente de metal unido a una aleta. La energía térmica solar se absorbe dentro de los tubos de vacío y se convierte en calor concentrado utilizable. Los tubos de calor de cobre transfieren energía térmica desde el interior del tubo solar a un cabezal de cobre. Se bombea un fluido de transferencia térmica (mezcla de agua o glicol ) a través del cabezal de cobre. A medida que la solución circula a través del cabezal de cobre, la temperatura aumenta. Los tubos de vidrio de vacío tienen una doble capa. La capa exterior es completamente transparente para permitir que la energía solar pase sin obstáculos. La capa interior está tratada con un revestimiento óptico selectivo que absorbe la energía sin reflexión. Las capas interior y exterior se fusionan al final, dejando un espacio vacío entre las capas interior y exterior. Todo el aire se bombea fuera del espacio entre las dos capas (proceso de evacuación), creando así el efecto termo que detiene la transferencia conductiva y convectiva de calor que de otro modo podría escapar a la atmósfera. La pérdida de calor se reduce aún más por la baja emisividad del vidrio que se utiliza. Dentro del tubo de vidrio se encuentra el tubo de calor de cobre. Es un tubo hueco de cobre sellado que contiene una pequeña cantidad de líquido patentado, que bajo baja presión hierve a una temperatura muy baja. Otros componentes incluyen un tanque intercambiador de calor solar y una estación de bombeo solar, con bombas y controladores. [36] [37] [38] [39] [40]
En una turbina eólica , la energía cinética del viento se convierte en energía mecánica para accionar un generador , que a su vez genera electricidad . Los componentes básicos de un sistema de energía eólica consisten en una torre con aspas giratorias que contiene un generador de electricidad y un transformador para aumentar el voltaje para la transmisión de electricidad a una subestación en la red. El cableado y la electrónica también son componentes importantes. [27] [41]
El duro entorno en el que se encuentran los parques eólicos marinos hace que los componentes individuales deban ser más resistentes y estar más protegidos contra la corrosión que los componentes terrestres. En estos momentos, se requieren conexiones a tierra cada vez más largas con cables submarinos de media y alta tensión. La necesidad de protección contra la corrosión favorece el revestimiento de cobre y níquel como la aleación preferida para las torres.
El cobre es un conductor importante en la generación de energía eólica. [42] [43] Los parques eólicos pueden contener varios cientos de miles de pies de cobre [44] con un peso de entre 4 millones y 15 millones de libras, principalmente en cableado, cables, tuberías, generadores y transformadores elevadores. [25] [45]
La intensidad del uso de cobre es alta porque las turbinas de los parques eólicos están repartidas en grandes áreas. [46] En los parques eólicos terrestres, la intensidad de cobre puede oscilar entre 5.600 y 14.900 libras por MW, dependiendo de si los transformadores elevadores tienen conductores de cobre o aluminio. En el entorno marino, la intensidad de cobre es mucho mayor: aproximadamente 21.000 libras por MW, que incluye cables submarinos a tierra. [47] En entornos tanto terrestres como marinos, se utiliza cableado de cobre adicional para conectar los parques eólicos a las redes eléctricas principales. [45]
Se estimó que la cantidad de cobre utilizada para sistemas de energía eólica en 2011 fue de 120 kt. Se estimó que la cantidad acumulada de cobre instalada hasta 2011 fue de 714 kt. [23] En 2018 [actualizar], la producción mundial de turbinas eólicas utiliza 450.000 toneladas de cobre al año. [48]
En el caso de los parques eólicos con generadores de inducción de 3 MW alimentados doblemente con caja de cambios de tres etapas, se necesitan aproximadamente 2,7 t por MW con turbinas eólicas estándar. En el caso de las turbinas eólicas con transformadores de baja y media tensión en la góndola, se necesitan 1,85 t por MW. [49]
El cobre se utiliza principalmente en los devanados de las bobinas de las partes del estator y del rotor de los generadores (que convierten la energía mecánica en energía eléctrica), en los conductores de cables de alta y baja tensión , incluido el cable eléctrico vertical que conecta la góndola a la base de la turbina eólica , en las bobinas de los transformadores (que elevan la CA de baja tensión a CA de alta tensión compatible con la red), en las cajas de cambios (que convierten las lentas revoluciones por minuto de las palas del rotor en revoluciones por minuto más rápidas) y en los sistemas de puesta a tierra eléctricos de los parques eólicos. [46] El cobre también se puede utilizar en la góndola (la carcasa de la turbina eólica que descansa sobre la torre que contiene todos los componentes principales), los motores auxiliares (motores utilizados para girar la góndola y controlar el ángulo de las palas del rotor), los circuitos de refrigeración (configuración de refrigeración para todo el tren de transmisión ) y la electrónica de potencia (que permite que los sistemas de turbinas eólicas funcionen como una planta de energía). [50]
En las bobinas de los aerogeneradores, la corriente eléctrica sufre pérdidas proporcionales a la resistencia del cable que la transporta. Esta resistencia, denominada pérdidas de cobre , hace que se pierda energía al calentarse el cable. En los sistemas de energía eólica, esta resistencia se puede reducir con un cable de cobre más grueso y con un sistema de refrigeración para el generador, si es necesario. [51]
Se pueden especificar conductores de cobre o aluminio para los cables del generador. [52] El cobre tiene una conductividad eléctrica más alta y, por lo tanto, una mayor eficiencia energética eléctrica. También se selecciona por su seguridad y confiabilidad. La consideración principal para especificar el aluminio es su menor costo de capital. Con el tiempo, este beneficio se ve compensado por mayores pérdidas de energía a lo largo de los años de transmisión de energía. La decisión sobre qué conductor utilizar se determina durante la fase de planificación de un proyecto, cuando los equipos de servicios públicos discuten estos asuntos con los fabricantes de turbinas y cables.
En cuanto al cobre, su peso en un generador varía según el tipo de generador, la potencia nominal y la configuración. Su peso tiene una relación casi lineal con la potencia nominal.
Los generadores en turbinas eólicas de accionamiento directo generalmente contienen más cobre, ya que el generador en sí es más grande debido a la ausencia de una caja de cambios. [53]
Un generador en una configuración de accionamiento directo podría ser entre 3,5 y 6 veces más pesado que en una configuración con engranajes, dependiendo del tipo de generador. [53]
En la generación de energía eólica se utilizan cinco tipos diferentes de tecnologías de generadores:
Aquí se resume la cantidad de cobre en cada uno de estos tipos de generadores.
Las configuraciones de accionamiento directo de las máquinas de tipo síncrono suelen contener la mayor cantidad de cobre, pero algunas utilizan aluminio. [48] Las máquinas de accionamiento directo de generadores síncronos convencionales (CSG) tienen el mayor contenido de cobre por unidad. La proporción de CSG aumentará entre 2009 y 2020, especialmente en el caso de las máquinas de accionamiento directo. Los DFAG representaron la mayor cantidad de ventas unitarias en 2009. [53]
La variación en el contenido de cobre de los generadores CSG depende de si están acoplados a cajas de cambios de una sola etapa (más pesadas) o de tres etapas (más livianas). De manera similar, la diferencia en el contenido de cobre en los generadores PMSG depende de si las turbinas son de velocidad media, que son más pesadas, o de alta velocidad, que son más livianas. [53]
Existe una creciente demanda de máquinas síncronas y configuraciones de accionamiento directo. Los generadores de imanes permanentes (DFAG) con transmisión directa y con engranajes CSG liderarán la demanda de cobre. Se espera que el mayor crecimiento de la demanda se dé en los PMSG directos, que se prevé que representen el 7,7% de la demanda total de cobre en los sistemas de energía eólica en 2015. Sin embargo, dado que los imanes permanentes que contienen el elemento de tierras raras neodimio pueden no ser capaces de escalar a nivel mundial, los diseños de imanes síncronos de accionamiento directo (DDSM) pueden ser más prometedores. [49] La cantidad de cobre necesaria para un generador DDSM de 3 MW es de 12,6 t. [54]
Los lugares con vientos turbulentos de alta velocidad son más adecuados para los generadores de turbinas eólicas de velocidad variable con convertidores de potencia a gran escala debido a la mayor confiabilidad y disponibilidad que ofrecen en tales condiciones. De las opciones de turbinas eólicas de velocidad variable, los PMSG podrían ser preferibles a los DFAG en tales lugares. En condiciones de baja velocidad del viento y turbulencia, los DFAG podrían ser preferibles a los PMSG. [23]
En general, los generadores de turbinas eólicas con engranajes se adaptan mejor a las fallas relacionadas con la red y podrían llegar a ofrecer una mayor eficiencia, confiabilidad y disponibilidad que sus contrapartes con engranajes. Esto podría lograrse reduciendo la cantidad de componentes mecánicos en su diseño. Sin embargo, actualmente, los generadores de turbinas eólicas con engranajes han sido probados en campo más exhaustivamente y son menos costosos debido a los mayores volúmenes producidos. [23]
La tendencia actual es hacia instalaciones híbridas de PMSG con una caja de cambios de una o dos etapas. El generador de turbina eólica más reciente de Vestas es de transmisión por engranajes. El generador de turbina eólica más reciente de Siemens es un híbrido. A mediano plazo, si el costo de la electrónica de potencia continúa disminuyendo, se espera que los PMSG de transmisión directa se vuelvan más atractivos. [23] La tecnología de superconductores de alta temperatura (HTSG) está actualmente en desarrollo. Se espera que estas máquinas puedan alcanzar más potencia que otros generadores de turbinas eólicas. Si el mercado offshore sigue la tendencia de máquinas unitarias más grandes, offshore podría ser el nicho más adecuado para los HTSG. [23]
Para un sistema de turbina de 2 MW, se estimaron las siguientes cantidades de cobre para componentes distintos del generador:
El cableado es el segundo componente más importante que contiene cobre después del generador. Un sistema de torre eólica con el transformador junto al generador tendrá cables de alimentación de media tensión (MV) que van desde la parte superior a la inferior de la torre, luego a un punto de recolección para varias torres eólicas y a la subestación de la red, o directamente a la subestación. El conjunto de la torre incorporará mazos de cables y cables de control/señal, mientras que se requieren cables de alimentación de baja tensión (LV) para alimentar las partes en funcionamiento en todo el sistema. [27]
Para una turbina eólica de 2 MW, el cable vertical podría tener entre 1.000 y 1.500 kg de cobre, según el tipo. El cobre es el material predominante en los cables subterráneos. [53]
El cobre es vital para el sistema de puesta a tierra eléctrico de los parques eólicos. Los sistemas de puesta a tierra pueden ser totalmente de cobre (cables de cobre macizo o trenzado y barras colectoras de cobre), a menudo con un calibre estadounidense de 4/0, pero quizás de hasta 250 milésimas de pulgada circular [56], o de acero revestido de cobre, una alternativa de menor costo. [57]
Los mástiles de las turbinas atraen los rayos , por lo que requieren sistemas de protección contra rayos . Cuando un rayo cae sobre una pala de turbina, la corriente pasa a lo largo de la pala, a través del cubo de la pala en la góndola ( caja de cambios / recinto del generador) y por el mástil hasta un sistema de conexión a tierra. La pala incorpora un conductor de cobre de gran sección transversal que corre a lo largo de su longitud y permite que la corriente pase a lo largo de la pala sin efectos de calentamiento nocivos. La góndola está protegida por un pararrayos, a menudo de cobre. El sistema de conexión a tierra, en la base del mástil, consiste en un conductor de anillo de cobre grueso unido a la base o ubicado a un metro de la base. El anillo está unido a dos puntos diametralmente opuestos en la base del mástil. Los cables de cobre se extienden hacia afuera desde el anillo y se conectan a electrodos de conexión a tierra de cobre. Los anillos de conexión a tierra en las turbinas de los parques eólicos están interconectados, lo que proporciona un sistema en red con una resistencia agregada extremadamente pequeña. [43]
El cable de cobre macizo se ha utilizado tradicionalmente para la conexión a tierra de equipos de protección contra rayos debido a su excelente conductividad eléctrica . Sin embargo, los fabricantes están optando por cables y alambres de conexión a tierra de aluminio o de cobre bimetálico menos costosos. [58] Se está estudiando la posibilidad de utilizar cables revestidos de cobre. Las desventajas actuales de los cables revestidos de cobre incluyen una conductividad menor, tamaño, peso, flexibilidad y capacidad de transporte de corriente.
Después de los generadores y el cable, se utilizan cantidades menores de cobre en el resto de los equipos. En los motores auxiliares de guiñada y cabeceo, el accionamiento de guiñada utiliza una combinación de motores de inducción y cajas de engranajes planetarios multietapa con cantidades menores de cobre. La electrónica de potencia tiene cantidades mínimas de cobre en comparación con otros equipos. A medida que aumentan las capacidades de las turbinas, las clasificaciones de los convertidores también aumentan de baja tensión (<1 kV) a media tensión (1–5 kV). La mayoría de las turbinas eólicas tienen convertidores de potencia completa , que tienen la misma potencia nominal que el generador , excepto el DFAG que tiene un convertidor de potencia que es el 30% de la potencia nominal del generador. Finalmente, se utilizan cantidades menores de cobre en circuitos refrigerados por aire/aceite y agua en cajas de engranajes o generadores. [53]
Se utiliza exclusivamente cableado de cobre de clase 5 desde el generador a través del bucle y la pared interior de la torre. Esto se debe a su capacidad para soportar la tensión de 15.000 ciclos de torsión durante 20 años de vida útil. [59]
Se están probando materiales superconductores dentro y fuera de las turbinas eólicas. Ofrecen mayor eficiencia eléctrica, la capacidad de transportar corrientes más altas y son más livianos. Sin embargo, estos materiales son mucho más caros que el cobre en este momento. [53]
La cantidad de cobre en los parques eólicos marinos aumenta con la distancia a la costa. El uso de cobre en las turbinas eólicas marinas es del orden de 10,5 t por MW. [60] El parque eólico marino Borkum 2 utiliza 5.800 t para una conexión de 400 MW a la red externa a 200 kilómetros, o aproximadamente 14,5 t de cobre por MW. El parque eólico marino Horns Rev utiliza 8,75 toneladas de cobre por MW para transmitir 160 MW a la red a 21 kilómetros. [61]
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