Las fuentes de energía renovables como la solar , la eólica , la mareomotriz , 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 juega un papel importante en estos sistemas de energía renovable. [3] [4] [5] [6] [7] El uso promedio de cobre es hasta cinco veces mayor en los sistemas de energía renovable que en la generación de energía tradicional, como las plantas de energía nuclear y de combustibles fósiles . [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 mínimo impacto ambiental.
Al elegir conductores eléctricos, los ingenieros y planificadores de instalaciones tienen en cuenta los costos de inversión de capital de los materiales y los ahorros operativos debido a su eficiencia de energía eléctrica durante su vida útil, además de los costos de mantenimiento. El cobre suele obtener buenos resultados en estos cálculos. Un factor llamado "intensidad de uso de 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 buscan evitar la escasez de suministro de materiales seleccionados. Según el Servicio Geológico de Estados Unidos , las reservas subterráneas de cobre han aumentado más de un 700 % desde 1950, de casi 100 millones de toneladas a 720 millones de toneladas en 2017, a pesar 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]
Para reforzar el suministro procedente de la extracción de cobre , 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, es para cableado eléctrico, incluidas las bobinas de generadores y motores.
El cobre juega un papel más importante en la generación de energía renovable que en las centrales térmicas convencionales en términos de tonelaje 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 1 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 terrestres mucho más grandes, particularmente en plantas de energía solar y eólica. [16] Los cables de alimentación y de puesta a tierra deben llegar lejos para conectar componentes que están muy 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 2.000 y 7.000 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 unas 800 libras (350 kg) de cobre. [19]
La cantidad total de cobre utilizada en la generación de electricidad distribuida y basada en energías renovables en 2011 se estimó en 272 kilotones (kt). El uso acumulado de cobre hasta 2011 se estimó en 1.071 kt.
Los conductores de cobre se utilizan en los principales componentes eléctricos de energías renovables, 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 energía solar térmica de calefacción y refrigeración dependen del cobre por sus beneficios de eficiencia energética térmica. El cobre también se utiliza como material especial resistente a la corrosión en sistemas de energía renovable en ambientes corrosivos húmedos, húmedos y salinos .
El cobre es un material sostenible, 100% reciclable y tiene una tasa de reciclaje más alta que cualquier otro metal. [18] Al final de la vida útil de los equipos, su cobre puede reciclarse sin pérdida de sus propiedades beneficiosas.
Hay entre once y cuarenta veces más cobre por unidad de generación en los sistemas fotovoltaicos que en las plantas convencionales de combustibles fósiles. [24] El uso de cobre en sistemas fotovoltaicos promedia alrededor de 4-5 toneladas por MW [25] [8] o más si se consideran las tiras de cinta conductoras que conectan células fotovoltaicas individuales. [22]
El cobre se utiliza en:
Se estima que el cobre utilizado en sistemas fotovoltaicos en 2011 fue de 150 kt. El uso acumulado de cobre en sistemas fotovoltaicos hasta 2011 se estimó en 350 kt. [22]
Los sistemas solares fotovoltaicos (PV) son altamente escalables y van desde pequeños sistemas en tejados 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 de entre 10 kW y 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), matrices (cable de matriz) y subcampos (cable de campo). Ya sea que un sistema esté conectado a la red o no, la electricidad recolectada de las células fotovoltaicas debe convertirse de CC a CA y aumentar su voltaje. Esto se consigue mediante inversores solares que contienen devanados de cobre, así como con dispositivos electrónicos de potencia que contienen 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 fase de investigación y desarrollo. Las células solares suelen convertir el 20% de la luz solar incidente en electricidad, lo que permite generar entre 100 y 150 kWh por metro cuadrado de panel al año. [27]
La tecnología convencional de silicio cristalino (c-Si) de primera generación incluye silicio monocristalino y silicio policristalino . Para reducir los costes de esta tecnología basada en obleas, las células solares de silicio contactadas con cobre están surgiendo como una alternativa importante a la plata como material conductor preferido. Los desafíos de la metalización de células solares residen en la creación de una capa homogénea y de alto valor cualitativo entre silicio y cobre que sirva como barrera contra la difusión del cobre en el semiconductor . La metalización frontal a base de cobre en células solares de silicio es un paso importante hacia la reducción de costos. [28]
La tecnología de segunda generación incluye células solares de película delgada . A pesar de tener una eficiencia de conversión ligeramente menor que la tecnología fotovoltaica convencional, el costo general por vatio es aún menor. Las tecnologías de película delgada comercialmente importantes incluyen células solares de seleniuro de cobre, indio, galio (CIGS) y energía fotovoltaica de telururo de cadmio (CdTe), mientras que las células en tándem de silicio amorfo (a-Si) y silicio micromorfo (m-Si) están siendo superadas lentamente 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 heterounión . Tiene la mayor eficiencia de conversión de energía solar (~20%) entre los materiales de película delgada. [29] Debido a que 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 entregado.
Se están investigando nanocristales de sulfuro de cobre monodispersos como alternativas a los monocristales convencionales y las películas delgadas para dispositivos fotovoltaicos. Esta tecnología, que aún está en sus inicios, tiene potencial para células solares sensibilizadas con colorantes , células solares totalmente inorgánicas y células solares compuestas híbridas de nanocristales y polímeros. [30]
Los sistemas de generación solar cubren grandes áreas. Hay muchas conexiones entre módulos y matrices, y conexiones entre matrices en subcampos y enlaces a la red. Los cables solares se utilizan para el cableado de plantas de energía solar. [31] La cantidad de cableado involucrado puede ser sustancial. Los tamaños típicos de cables de cobre utilizados son de 4 a 6 mm 2 para cable de módulo, de 6 a 10 mm 2 para cable de matriz y de 30 a 50 mm 2 para cable de campo. [27]
La eficiencia energética y las energías renovables son dos pilares 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 la energía renovable podrá convertirse en un contribuyente efectivo y significativo de energía primaria. Cuanta más energía se obtenga de fuentes renovables, menos energía de combustibles fósiles se necesitará para satisfacer la misma demanda energética. [32] Este vínculo entre la energía renovable y la eficiencia energética se basa en parte en los beneficios del cobre en materia de eficiencia energética eléctrica.
Aumentar el diámetro de un cable de cobre aumenta su eficiencia energética eléctrica (ver: Hilos y cables de cobre ) . Los cables más gruesos reducen la pérdida resistiva (I 2 R) , lo que afecta la rentabilidad de la vida útil de las inversiones en sistemas fotovoltaicos. Se necesitan evaluaciones de costos complejas, teniendo en cuenta los costos adicionales de materiales, la cantidad de radiación solar dirigida a los módulos solares por año (teniendo en cuenta las variaciones diurnas y estacionales, subsidios, tarifas, períodos de recuperación, etc.) para determinar si se necesitan mayores inversiones iniciales para cables más gruesos. están justificados.
Dependiendo de las circunstancias, algunos conductores en sistemas fotovoltaicos se pueden especificar con cobre o aluminio . Al igual que con otros sistemas de conducción eléctrica, cada uno tiene sus ventajas (ver: Alambre y cable 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 utilizan conductos en tuberías de acero o plástico . [22]
Los conductos de cables no son necesarios en instalaciones eléctricas más pequeñas donde los cables de cobre miden menos de 25 mm 2 . Sin conductos, los costes de instalación son menores con cobre que con aluminio. [22]
Las redes de comunicaciones de datos dependen de enlaces de cobre, fibra óptica y/o radio . Cada material tiene sus ventajas y desventajas. El cobre es más fiable que los enlaces de radio. La atenuación de la señal con alambres y cables 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 al calor, que impulsa un motor térmico (normalmente 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 demanda.
El cobre se utiliza en cables de energía de campo , redes de puesta a tierra y motores para seguimiento y bombeo de fluidos, así como en el generador principal y transformadores de alto voltaje . Normalmente, hay unas 200 toneladas de cobre para una central eléctrica de 50 MW. [21]
Se ha estimado que el uso de cobre en plantas de energía termosolar de concentración 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 cilindroparabólicas, plantas de torre, sistemas de absorción lineal distribuidos, incluidas plantas lineales de Fresnel, y plantas de plato Stirling. [21] El uso del cobre en estas plantas se describe aquí.
Las plantas cilindroparabólicas son la tecnología CSP más común y representan alrededor del 94% de la energía instalada en España. Estas plantas captan la energía solar en concentradores cilindroparabólicos con tubos colectores lineales. Los fluidos de transferencia de calor suelen ser aceites sintéticos que circulan a través de tubos a temperaturas de entrada y salida de 300 °C a 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 cilindroparabólicas el cobre se especifica en el campo de los colectores solares (cables de potencia, señales, puestas a tierra, motores eléctricos); ciclo de vapor (bombas de agua, ventiladores de condensación, cableado a puntos de consumo, señal y sensores de control, 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 alrededor de 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 central eléctrica 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 circuitos dependen de más cobre. Los espejos utilizan una pequeña cantidad de cobre para brindar protección galvánica contra la corrosión 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 centrales eléctricas de torre central, pueden convertirse en la tecnología CSP preferida en el futuro. Recogen la energía solar concentrada por el campo de helióstatos en un receptor central montado en lo alto de la torre. Cada helióstato sigue al Sol a lo largo de dos ejes (azimut y elevación). Por tanto, se requieren dos motores por unidad.
El cobre es necesario en el campo de helióstatos (cables de alimentación, señal, puesta a tierra, motores), receptor (trazas de 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 condensación), cableado a puntos de consumo, señal y sensores de control y motores.
Una instalación de torre solar 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 ligeramente más cobre por MW en el campo solar porque la eficiencia del campo de helióstatos disminuye con el tamaño. Una planta de 100 MW tendrá algo menos de cobre por MW en los equipos de proceso. [21]
Las plantas lineales de Fresnel utilizan reflectores lineales para concentrar los rayos del sol en un tubo absorbente similar a las plantas cilindroparabólicas. Dado que el factor de concentración es menor que en las plantas cilindroparabólicas, la temperatura del fluido caloportador es menor. Esta es la razón por la que la mayoría de las plantas utilizan vapor saturado como fluido de trabajo tanto en el campo solar como en la turbina.
Una central eléctrica Fresnel lineal de 50 MW requiere alrededor de 1.960 motores de seguimiento. La potencia necesaria para cada motor es muy inferior a la de la planta cilindroparabólica. Una planta Fresnel lineal 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 se encuentran en cables del área de procesos, campo solar, puestas a tierra y protección y controles contra rayos. Otros 57.300 kg de cobre se encuentran 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 en 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 instalación parabólica más grande de Sterling tiene una potencia total de 1,5 MW. Se necesita relativamente más cobre en el campo solar que en otras tecnologías CSP porque allí se genera electricidad. Sobre la base de las plantas existentes de 1,5 MW, el contenido de cobre es de 4 toneladas/MW o, en otros términos, 2,2 toneladas de cobre/GWh/año. Una central eléctrica de 1,5 MW tiene unos 6.060 kg de cobre en cables, generadores de inducción, accionamientos, transformadores de campo y de red, puestas a tierra y protección contra rayos. [21]
Los calentadores de agua solares pueden ser una forma rentable de generar agua caliente para los hogares. Se pueden utilizar en cualquier clima. El combustible que utilizan, la luz del sol, es gratuito. [33]
Los colectores solares de agua caliente son utilizados por más de 200 millones de hogares, así como por muchos edificios públicos y comerciales en todo el mundo. [32] La capacidad total instalada de unidades solares térmicas de calefacción y refrigeración en 2010 fue de 185 GW térmicos. [34]
La capacidad de calefacción solar aumentó aproximadamente un 27% en 2011 hasta alcanzar aproximadamente 232 GWth, excluyendo la calefacción de piscinas sin vidriar. La mayor parte de la energía solar térmica se utiliza para calentar agua , pero la calefacción y refrigeración solar de espacios están ganando terreno, especialmente en Europa. [32]
Hay dos tipos de sistemas solares de calentamiento de agua: activos, que tienen bombas de circulación y controles, y pasivos, que no los tienen. Las técnicas solares pasivas no requieren de elementos eléctricos ni mecánicos en funcionamiento. Incluyen la selección de materiales con propiedades térmicas favorables, el diseño de espacios en los que el aire circule 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 solares térmicos de calefacción y refrigeración debido a su alta conductividad térmica , resistencia a la corrosión atmosférica y del agua, sellado y unión mediante soldadura y resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en receptores como en circuitos primarios (tuberías e intercambiadores de calor para depósitos de agua). [34] Para la placa absorbente , a veces se utiliza aluminio porque es más barato, pero cuando se combina con tuberías de cobre, puede haber problemas con respecto 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 evitarlo es simplemente utilizar el mismo material tanto para la tubería como para la placa absorbente. Este material puede ser por supuesto cobre pero también aluminio o PEX-AL-PEX.
Se utilizan tres tipos de colectores solares térmicos para aplicaciones residenciales: colectores de placa plana , colectores-acumulador integrales y colectores solares térmicos: colectores de tubos de vacío ; Pueden ser sistemas de circulación directa (es decir, calienta el agua y la lleva 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 de tubo 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 solar térmica 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 al vacío tienen doble capa. La capa exterior es totalmente transparente para permitir que la energía solar pase sin obstáculos. La capa interior está tratada con un recubrimiento óptico selectivo que absorbe 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 baja emisividad del vidrio utilizado reduce aún más la pérdida de calor. Dentro del tubo de vidrio se encuentra el tubo de calor de cobre. Es un tubo de cobre hueco sellado que contiene una pequeña cantidad de líquido patentado, que a 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 impulsar un generador , que a su vez genera electricidad . Los componentes básicos de un sistema de energía eólica consisten en una torre con palas 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 de los parques eólicos marinos significa que los componentes individuales deben ser más resistentes y estar protegidos contra la corrosión que sus componentes terrestres. En este momento se requieren conexiones cada vez más largas a la costa con cables submarinos de MT y AT. La necesidad de protección contra la corrosión favorece el revestimiento de cobre y níquel como 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 y 15 millones de libras, principalmente en cableado, cables, tuberías, generadores y transformadores elevadores. [25] [45]
La intensidad del uso del cobre es alta porque las turbinas de los parques de generación eólica están distribuidas en grandes áreas. [46] En los parques eólicos terrestres, la intensidad del 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 del cobre es mucho mayor: aproximadamente 21.000 libras por MW, lo que incluye los cables submarinos hasta la costa. [47] Tanto en entornos terrestres como marinos, se utiliza cableado de cobre adicional para conectar los parques eólicos a las principales redes eléctricas. [45]
La cantidad de cobre utilizada para los sistemas de energía eólica en 2011 se estimó en 120 kt. La cantidad acumulada de cobre instalada hasta 2011 se estimó en 714 kt. [23] A partir de 2018 [actualizar], la producción mundial de turbinas eólicas utiliza 450.000 toneladas de cobre por año. [48]
Para los parques eólicos con generadores de inducción de 3 MW con caja de cambios de tres etapas y doble alimentación, se necesitan aproximadamente 2,7 t por MW con turbinas eólicas estándar. Para aerogeneradores con transformadores BT/MT en la góndola se necesitan 1,85 t por MW. [49]
El cobre se utiliza principalmente en devanados de bobinas en las partes del estator y del rotor de los generadores (que convierten la energía mecánica en energía eléctrica), en conductores de cables de alto y bajo voltaje , incluido el cable eléctrico vertical que conecta la góndola con la base de la turbina eólica . en las bobinas de los transformadores (que elevan la CA de bajo voltaje a la CA de alto voltaje compatible con la red), en las cajas de engranajes (que convierten las lentas revoluciones por minuto de las palas del rotor en rpm más rápidas) y en los sistemas de puesta a tierra eléctrica 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), motores auxiliares (motores utilizados para girar la góndola y controlar el ángulo de las palas del rotor) , circuitos de refrigeración (configuración de refrigeración para todo el tren motriz ) y electrónica de potencia (que permite que los sistemas de turbinas eólicas funcionen como una central eléctrica). [50]
En las bobinas de los aerogeneradores, la corriente eléctrica sufre pérdidas proporcionales a la resistencia del cable que transporta la corriente. Esta resistencia, llamada pérdidas del cobre , hace que se pierda energía al calentar el cable. En los sistemas de energía eólica, esta resistencia se puede reducir con alambre 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 cables de generador. [52] El cobre tiene la mayor conductividad eléctrica y, por lo tanto, la mayor eficiencia energética eléctrica. También se selecciona por su seguridad y fiabilidad. La principal consideración para especificar el aluminio es su menor costo de capital. Con el tiempo, este beneficio se ve compensado por mayores pérdidas de energía durante 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.
Respecto al cobre, su peso en un generador variará según el tipo de generador, potencia nominal y configuración. Su peso tiene una relación casi lineal con la potencia nominal.
Los generadores de las turbinas eólicas de accionamiento directo suelen contener 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 transmisión directa podría ser de 3,5 a 6 veces más pesado que en una configuración con engranajes, según el tipo de generador. [53]
En la generación eólica se utilizan cinco tipos diferentes de tecnologías de generación:
La cantidad de cobre en cada uno de estos tipos de generadores se resume aquí.
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 con generadores síncronos convencionales (CSG) tienen el mayor contenido de cobre por unidad. La proporción de CSG aumentará de 2009 a 2020, especialmente para 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 con cajas de engranajes de una 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 ligeras. [53]
Existe una demanda creciente de máquinas síncronas y configuraciones de accionamiento directo. Los DFAG directos y engranados de CSG liderarán la demanda de cobre. Se espera que el mayor crecimiento en la demanda sea el de los PMSG directos, que se prevé que representen el 7,7% de la demanda total de cobre en sistemas de energía eólica en 2015. Sin embargo, dado que los imanes permanentes que contienen neodimio, un elemento de tierras raras, pueden no ser capaces de Para 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 12,6 t. [54]
Los lugares con vientos turbulentos de alta velocidad son más adecuados para 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, en tales ubicaciones se podrían preferir los PMSG a los DFAG. En condiciones de baja velocidad del viento y turbulencia, se podrían preferir los DFAG a los PMSG. [23]
En general, los PMSG abordan mejor las fallas relacionadas con la red y eventualmente podrían ofrecer mayor eficiencia, confiabilidad y disponibilidad que sus contrapartes adaptadas. Esto podría lograrse reduciendo el número de componentes mecánicos en su diseño. Sin embargo, actualmente los generadores de turbinas eólicas con engranajes se han probado más exhaustivamente en el campo y son menos costosos debido a los mayores volúmenes producidos. [23]
La tendencia actual son las instalaciones híbridas PMSG con caja de cambios de una o dos etapas. El aerogenerador más reciente de Vestas es el de accionamiento por engranajes. El aerogenerador más reciente de Siemens es un híbrido. A medio plazo, si el coste de la electrónica de potencia sigue disminuyendo, se espera que los PMSG de accionamiento directo se vuelvan más atractivos. [23] Actualmente se está desarrollando la tecnología de superconductores de alta temperatura (HTSG). Se espera que estas máquinas puedan alcanzar más potencia que otros generadores de turbinas eólicas. Si el mercado offshore sigue la tendencia de unidades de máquinas más grandes, el 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 al generador:
El cableado es el segundo componente que más cobre contiene después del generador. Un sistema de torre eólica con el transformador al lado del generador tendrá cables de alimentación de media tensión (MT) que irán desde la parte superior hasta la parte inferior de la torre, luego hasta un punto de recogida para varias torres eólicas y hasta la subestación de la red. o directo 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 bajo voltaje (BT) para alimentar las piezas de trabajo en todo el sistema. [27]
Para un aerogenerador de 2 MW, el cable vertical podría oscilar entre 1.000 y 1.500 kg de cobre, según su tipo. El cobre es el material dominante en los cables subterráneos. [53]
El cobre es vital para el sistema de puesta a tierra eléctrica de los parques de turbinas eólicas. Los sistemas de puesta a tierra pueden ser totalmente de cobre (alambres de cobre sólidos o trenzados y barras colectoras de cobre) a menudo con una clasificación de calibre estadounidense de 4/0, pero tal vez tan grande como 250 miles de mils circulares [56] o acero revestido de cobre, un valor más bajo. alternativa de costo. [57]
Los mástiles de las turbinas atraen los rayos , por lo que requieren sistemas de protección contra rayos . Cuando un rayo cae sobre el álabe de una turbina, la corriente pasa a lo largo del álabe, a través del cubo del álabe en la góndola ( recinto de la caja de cambios /generador) y baja por el mástil hasta un sistema de puesta a tierra. La hoja 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 hoja sin efectos de calentamiento nocivos. La góndola está protegida por un pararrayos, a menudo de cobre. El sistema de puesta a tierra, en la base del mástil, consta de un grueso anillo conductor de cobre adherido a la base o ubicado a un metro de la base. El anillo está sujeto 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 puesta a tierra de las turbinas de los parques eólicos están interconectados, lo que proporciona un sistema en red con una resistencia agregada extremadamente pequeña. [43]
El alambre de cobre sólido se ha utilizado tradicionalmente para equipos de puesta a tierra y rayos debido a su excelente conductividad eléctrica . Sin embargo, los fabricantes están avanzando hacia alambres y cables de puesta a tierra bimetálicos revestidos de cobre o aluminio, menos costosos. [58] Se está explorando el uso de alambres de cobre. Las desventajas actuales del alambre recubierto de cobre incluyen menor conductividad, 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 del equipo. En los motores auxiliares de guiñada y cabeceo, el accionamiento de guiñada utiliza una combinación de motores de inducción y cajas de engranajes planetarios de etapas múltiples 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 capacidades de los convertidores también aumentan de bajo voltaje (<1 kV) a medio voltaje (1 a 5 kV). La mayoría de aerogeneradores cuentan con convertidores de potencia completos , 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]
El cableado de alimentación de cobre Clase 5 se utiliza exclusivamente 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 mayores eficiencias eléctricas, la capacidad de transportar corrientes más altas y pesos 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 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 y 200 kilómetros a la red externa, 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 lo largo de 21 kilómetros a la red. [61]
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