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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

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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: c.delapaz.blanco@gmail.comPerfil Linked In: es.linkedin.com/pub/carlos-de-la-paz-blanco/47/9a7/770