Source: https://es.scribd.com/doc/67413117/GARCIA-GONZALEZ-PAULA
Timestamp: 2016-07-29 23:42:14+00:00

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PFM:“ENERGÍA EÓLICA”
PAULA GARCIA GONZALEZ DNI:76959066-P
1 introducción....................................................................................................................................4 1.1 objetos de actuación..............................................................................................................6 1.2 energías no renovables.........................................................................................................8 1.3 energías renovables............................................................................................................13 1.4 LA EFICIENCIA ENERGÉTICA...........................................................................................17 1.5 IMPACTO SOCIAL Y MEDIOAMBIENTAL..........................................................................18 1.6 protocolo de kyoto y cambio climático.................................................................................20 2 objetivos y alcance.......................................................................................................................23 3 sistema eólico...............................................................................................................................26 3.1 energía y potencia del viento...............................................................................................29 3.2 elementos de la instalación.................................................................................................30 3.3 TIPOS DE INSTALACIONES EÓLICAS..............................................................................38 3.4 medio ambiente...................................................................................................................40 3.5 Futuro de la energía eólica..................................................................................................42 3.6 ventajas de la energía eólica...............................................................................................42
3.7 cronograma visual de implantación de equipos...................................................................44 3.8 elección del tipo de aerogenerador.....................................................................................57 4 diseño del sistema eólico..............................................................................................................79 5 diSTRIBUCIÓN DE AEROGENERADORES ...............................................................................81 5.1 disposición de los aerogeneradores....................................................................................81 5.2 el efecto de las estelas en la distancia entre turbinas eólicas.............................................82 6 sistema eólico..............................................................................................................................84 7 CONCLUSIONES........................................................................................................................90 8 NORMATIVA APLICABLE...........................................................................................................93 9 ANEXOS......................................................................................................................................98 9.1 ficha técnica aerogenerador vestas v52-850kw...................................................................99 9.2 ficha técnica aerogenerador vestas v112-3.......................................................................101 9.3 rosa de los vientos de velocidades y frecuencias..............................................................102 10 PLANOS..................................................................................................................................104 10.1 PLANO DE UBICACIÓn..................................................................................................104 10.2 PLANOs DE IMPLANTACIÓN DE EQUIpos...................................................................105 11 BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................108
UNIVERSIDAD SAN PABLO – CEU MASTER EN ENERGÍAS RENOVABLES
PARQUE EÓLICO EN LA PROVINCIA DE GUADALAJARA
PAULA GARCÍA GONZÁLEZ DNI: 76959066 – P
INTRODUCCIÓN La energía es un recurso clave en el proceso de la construcción
sostenible y aunque su producción y posterior transformación para su consumo es una de las principales causas del quebranto ambiental del Planeta, es evidente su carácter indispensable en el desarrollo económico de este sector. La energía se obtiene a partir de las Fuentes de energía y las cantidades disponibles de dichas fuentes es lo que se denominan Recursos energéticos.
Figura 1.Fuentes de Energía
Condiciones de partida actuales, respecto a la energía:
El aumento del nivel de vida y de confort se encuentra socialmente asociado a un aumento del consumo de energía.
Incremento de la población mundial. Los países no desarrollados demandan los mismos niveles energéticos que los desarrollados.
Creación de redes a nivel mundial (gas). La evolución futura de todas estas cuestiones nos dará la clave para evitar el deterioro de nuestra calidad de vida permitiéndonos la conservación de nuestros ecosistemas actuales.
A día de hoy, estamos asistiendo a un resurgir de las denominadas energías renovables no sólo por el notable aumento de costes de los combustibles fósiles, destacando entre ellos al petróleo, sino también por sus negativos efectos ambientales.
La emisión constante a la atmósfera de los denominados gases de efecto invernadero contribuirá al tan anunciado cambio climático donde el incremento de las temperaturas y su influencia en otros factores del clima tendrán como consecuencia efectos graves para los habitantes del planeta y la conservación de los actuales ecosistemas.
OBJETOS DE ACTUACIÓN
La consecución de una actuación energética sostenible en el ciclo constructivo sólo podrá llevarse a cabo mediante el uso controlado de fuentes renovables teniendo en cuenta la capacidad ecológica de nuestro entorno. Se deberán identificar las diferentes fases tanto del ciclo energético desde su captación, transformación, transporte, almacenaje, uso y gestión de residuos como del proceso constructivo global, planificación, diseño, aplicación para la fabricación y obtención de materiales, elección de las instalaciones, mantenimiento de los productos edificatorios, posterior desmantelamiento de los mismos, etc. Nuestro objetivo debe ser gestionar un sistema donde se combinen la eficiencia energética, con la consecuente reducción del gasto, y la potenciación de las energías de carácter renovable y ello concienciando a todos los actores que intervienen en el multidisciplinar proceso de construir nuestro entorno. Las energías renovables se plantean actualmente como
alternativa a las denominadas energías convencionales aunque no son energías nuevas. Su empleo ha sido generalizado hasta la llegada de fuentes de energía alternativa que actualmente queremos desterrar, como el petróleo, y que contribuyeron a su abandono. Representan el 20% de la energía consumida y son también denominadas energías blandas o limpias siendo su ventaja más significativa su respecto hacia el medio ambiente. Sus características principales son: • • Son limpias no generan residuos de difícil eliminación. Su impacto ambiental es reducido. No producen
emisiones de CO2 y otros gases contaminantes a la atmósfera. • Se producen de forma continua, por lo que son ilimitadas.
Evitan la dependencia exterior, son autóctonas. Son complementarias. Equilibran desajustes interterritoriales. Impulsan las economías locales con la creación de cinco veces más puestos de trabajo que las convencionales.
Energías no renovables, son aquellas fuentes de energía que tienen un carácter limitado en el tiempo y cuyo consumo implica su desaparición en la naturaleza sin posibilidad de renovación. Suponen en torno al 80 % de la energía mundial y sobre las mismas se ha construido el inseguro modelo energético actual. Sus características principales son: • Generan emisiones y residuos que degradan el
medioambiente. • • Son limitadas. Provocan dependencia exterior encontrándose
exclusivamente en determinadas zonas del planeta. • Crean menos puestos de trabajo en relación al volumen de negocio que generan. • Conseguir su control provoca conflictos por su interés estratégico militar.
Figura 2.El consumo de grandes cantidades de petróleo, carbón, gas natural o uranio.
Figura 3.Explotación petrolífera.
Carbón - Fuente energética característica del periodo industrialista inicial sustituida durante el siglo XX por
otras fuentes no renovables, principalmente el petróleo. Tiene un factor de emisión de CO2 muy elevado y las partículas emitidas en suspensión son causa, entre otras cosas, de la denominada lluvia ácida. Todavía es utilizada en determinados tipos de industrias y como fuente de alimentación de calefacción, aunque es la fuente no renovable menos utilizada en España y en la UE, con una clara tendencia a su sustitución por otras alternativas más prácticas y menos contaminantes. • Petróleo - Fuente energética por excelencia a lo largo de todo el siglo XX siendo actualmente la fuente primaria a nivel mundial. El agotamiento de sus reservas se encuentra cercano y la variación en sus precios y el acaparamiento por parte de los países productores del mismo genera tensiones a nivel mundial que están afectando notablemente a la economía del planeta. Son destacables también sus aspectos contaminantes en los procesos de producción, transporte y consumo. • Gas Natural y Sus dificultades para poder no ser se
considerase en un principio, aunque la necesidad de investigar energías alternativas a las existentes hicieron posible su utilización mediante redes de gas natural, actualmente distribuidas en todo el mundo, y medios de transporte marítimo adecuados para tal fin. Puede ser considerado el combustible fósil más limpio, con la menor cantidad de emisiones de CO2 y producción nula de partículas sólidas. Su rendimiento energético es elevado lo que permite una mayor producción de energía con menor cantidad de combustible. Su consumo va en aumento pudiendo considerarse dentro de su condición
de fuente no renovable el más sostenible dentro de las alternativas implantación petróleo. existentes. Es considerado por muchos expertos como fuente energética de tránsito hasta la total de las energías renovables. Ocupa el segundo lugar en el porcentaje de consumo después del
Figura 4.Gaseoducto.
Energía Nuclear - Producida en las centrales nucleares a partir del Uranio, mineral radiactivo limitado y escaso, es la fuente no renovable que genera un mayor rechazo social a pesar de que su consumo es uno de los menos representativos, sólo un 5% de las fuentes no renovables.
Figura 5.Instalación nuclear.
1.2.2 IMPACTOS MEDIOAMBIENTALES DEL USO DE ENERGÍAS NO RENOVABLES.
Algunos estudios demuestran que el impacto medioambiental de las energías no renovables frente a las renovables es hasta 30 veces superior. A continuación enumeramos algunos de los efectos negativos más relevantes:
La lluvia ácida - con contenido de ácido sulfúrico que puede afectar irreversiblemente a los ecosistemas.
Efecto invernadero - con del calentamiento del planeta y consecuencia del cambio climático.
Vertidos contaminantes - en zonas de producción, principalmente producidos por los combustibles fósiles.
Residuos radiactivos peligrosos - generados en el proceso de fisión nuclear.
Las alteraciones que producen este tipo de energías en el entorno son generalmente irreversibles, y con consecuencias nefastas tanto a nivel local como global.
Figura 6.Clasificación de las energías renovables.
Figura 7.Clasificación de las energías renovables.
Energía solar - Es una de las energías renovables por excelencia y se basa en el aprovechamiento de la radiación solar que llega a la superficie terrestre y que posteriormente es transformada en electricidad o calor.
Energía eólica - Es la que se produce a través de la energía cinética del viento transformándola en
electricidad, eólicas. •
aerogeneradores cuya agrupación conforma las centrales
Energía minihidráulica - Aprovecha la energía cinética generada por las diferencias de nivel de los cursos de agua para transformarla en energía eléctrica. Este tipo de energía se considera renovable cuando su aprovechamiento se realiza con una potencia no superior a 10 MW. La energía hidráulica que supera esta potencia no se considera renovable debido al gran impacto ambiental de su emplazamiento para mayor producción.
Biomasa - Es un combustible formado por materia orgánica renovable de origen vegetal resultante de procesos de transformación natural o artificial en residuos biodegradables o cultivos energéticos.
Figura 8. Energías renovables.
1.3.2 ALGUNOS INCONVENIENTES DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES
Producen impactos visuales elevados. Son variables y no previsibles en su totalidad. Su densidad de potencia es baja por lo que en ocasiones tienen dificultades para garantizar el suministro y tienen que ser complementadas con otro tipo de energías.
El apoyo y la fuerte inversión en investigación y desarrollo que se está realizando con este tipo de energías, están haciendo que se vaya por el buen camino para conseguir desaparecer o minimizar este tipo de inconvenientes, para que el uso de las energías renovables sea realidad en un futuro muy próximo. Las energías renovables, por tanto, se presentan como una alternativa clara frente a las energías convencionales en todo el proceso constructivo. Crece la demanda de productos inmobiliarios
sostenibles, la conciencia medioambiental de los proveedores de energía para los mismos y se corrobora la viabilidad económica de los ciclos. Está demostrado que inversiones iniciales ligeramente más elevadas revierten en ahorro posterior durante la vida útil de los edificios.
La Eficiencia Energética se puede definir como la reducción del consumo de energía manteniendo los mismos servicios energéticos, sin disminuir nuestro confort y calidad de vida, protegiendo el medio ambiente, asegurando el abastecimiento y fomentando un comportamiento sostenible en su uso. El sector de la construcción es clave en el consumo de energía estimándose que los edificios representan alrededor del 40% del consumo de energía, y el ahorro potencial de energía que se puede desarrollar en los mismos supera el 20%. El cambio en el marco normativo producido por aprobación de la Directiva Europea de Eficiencia Energética en Edificación, 2002/91/CE y su traslado a la legislación española está haciendo aparecer nuevos requerimientos en el sector de la edificación en aquellos aspectos relativos al consumo de energía, iluminación, aislamiento, calefacción, climatización, agua caliente sanitaria, certificación energética de edificios o utilización de la energía solar. Actualmente existen varios los documentos legales puestos en marcha por la Administración para dar respuesta a estos nuevos requerimientos:
Actualización Normativa de Aislamiento Térmico NBE-CT79.
Certificación Energética de edificios. Plan de Acción de Ahorro y Eficiencia Energética en España.
Plan de Fomento de las Energías Renovables.
El uso de energías renovables tiene importantes beneficios medioambientales puesto que sustituyen combustibles fósiles como es el caso del carbón o el petróleo. La concienciación de la preserva del medio ambiente está cada día más presente en la sociedad. El fomento de las Energías Renovables es uno de los puntos fuertes tanto de la política europea como española. Para ello se están promoviendo distintos tipos de ayuda por parte de los Gobiernos, para dar apoyo a inversiones y facilitar el desarrollo tecnológico. Se ayuda por tanto a crear una percepción de riesgo menor ante las energías renovables. La Comisión Europea ha desarrollado además varias iniciativas a favor del desarrollo de las Energías Renovables en Europa lo que implica el desarrollo de normativas legales que afectan a todos los estados miembros.
A parte de esto, muchas Comunidades Autónomas tienen programas complementarios al marco Europeo para promocionar las energías renovables. Según el Instituto Sindical de Trabajo, Ambiente y Salud de CCOO, las energías renovables emplearon a más de 89.000 trabajadores (empleos directos) en 2007. Las previsiones superan los 94.000 empleos directos para 2010. El impacto ambiental en la generación de electricidad de las energías convencionales es 31 veces superior al de las energías renovables según los resultados del estudio “Impactos Ambientales de la Producción de Electricidad”, elaborado por AUMA y auspiciado por ocho instituciones entre las que se encuentran los órganos competentes de cinco gobiernos autónomos (Cataluña, Aragón, País Vasco, Navarra y Galicia), el IDEA, el Ciemat y la Asociación de Productores de Energías Renovables - APPA.
Tabla 1: Comparación del impacto ambiental de diferentes formas de producir electricidad.
Con el uso de energías renovables se pretende que las fuentes de obtención actuales como el petróleo, el gas y el carbón pasen a un
segundo plano. Debemos tener en cuenta que estas fuentes son recursos limitados y no distribuidos equitativamente por el planeta. Con el actual modelo energético las nuevas generaciones verían el agotamiento de esas fuentes, comprometiendo el desarrollo de la humanidad.
PROTOCOLO DE KYOTO Y CAMBIO CLIMÁTICO
El cambio climático supone un aumento de la temperatura del planeta. En un futuro este tendrá consecuencias nefastas. El cambio climático es uno de los puntos que se desean solucionar con el uso de las energías renovables. Los datos muestran que la temperatura anual en Europa se ha incrementado entre los 0,3°C y 0,6°C desde 1900, la década de los 90 ha sido la más calurosa de la siglo, el nivel del mar ha crecido entre 10 y 25 cm en los últimos 100 años y se ha reducido la superficie de los hielos continentales y oceánicos durante este siglo. Son cambios evidentes y la mayoría de las causas pueden atribuirse a la emisión de los gases de efecto invernadero y aerosoles por la actividad humana. Ante este hecho los gobiernos acordaron en 1997 el Protocolo de Kioto del Convenio Marco sobre Cambio Climático de la ONU (UNFCCC). El acuerdo ha entrado en vigor sólo después de que 55 naciones que suman el 55% de las emisiones de gases de efecto invernadero lo ha ratificado. En la actualidad 129 países, lo han ratificado alcanzando el 61,6 % de las emisiones como indica el barómetro de la UNFCCC. El objetivo del Protocolo de Kioto es conseguir reducir un 5,2% las emisiones de gases de efecto invernadero globales sobre los niveles de 1990 para el periodo 2008 - 2012. Este es el único mecanismo
internacional para empezar a hacer frente al cambio climático y minimizar sus impactos. Para ello contiene objetivos legalmente obligatorios para que los países industrializados reeducan las emisiones de los 6 gases de efecto invernadero de origen humano como dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), además de tres gases industriales fluorados: hidrofluorocarbonos (HFC), perfluorocarbonos (PFC) y hexafluoruro de azufre (SF6).
Situación en España: La Unión Europea se comprometió, dentro del Protocolo de Kioto, a reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero un 8% sobre los niveles de 1990 para el período 2008 - 2012. Dentro de las negociaciones internas en Europa para un correcto reparto de compromisos de reducción, y con objeto de llegar a la convergencia económica europea, España se comprometió a no aumentar sus emisiones de gases de efecto invernadero por encima del 15% sobre los niveles de 1990. En marzo 2007, se establece el compromiso de reducir como mínimo un 20% la emisión de gases con efecto invernadero y para el 2020 reducción de un 30% en los países desarrollados. Como objetivo obligatorio se ha establecido para la misma fecha, que el 20% de la energía consumida sea de origen renovable (biomasa, hidráulica, eólica y solar) frente al actual 12% establecido en el libro blanco de las Energías Renovables. La perspectiva a más largo plazo, 2050, es disminuir entre el 60 y 80% los gases contaminantes. El Plan de Energías Renovables (PER) 2005 - 2010 es el que está actualmente vigente y establece como objetivo para el año 2010 la generación de un 12% de la energía primaria mediante fuentes de energía renovable.
Las energías renovables aportaron en 2008 el 7,6% del consumo de energía primaria en España, lo que supone un incremento de seis décimas con respecto al balance anterior, según datos aportados por el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDEA). Teniendo en cuenta este crecimiento, el objetivo del 12% de consumo en renovables, se desplaza hasta el año 2014.
Tabla 2: Seguimiento del PER
El sistema debe de contener el menor número posible de elementos, que permita realizar una simulación para explicar al final cual de las propuestas de acción que se ha estudiado es más eficaz para solucionar el problema planteado. Los modelos se crean primero pequeños y con pocos
elementos, para luego ampliarse y perfeccionarse, posteriormente se suprimen los elementos que no intervienen decisivamente en el problema, para la construcción del modelo se suceden varias fases de expansión y simplificación de modelos añadiendo y suprimiendo elementos.
Figura 9. Esquema de un sistema.
OBJETIVOS Y ALCANCE El presente proyecto se basa en el diseño de un parque eólico
situado en el Excelentísimo Ayuntamiento de Tendilla en la provincia de Guadalajara, situado a una latitud: 40o 32´ 42” N y longitud: 2 o 55´ 47”.
Figura 22. Situación de Tendilla.
Se trata de un estudio técnico – económico, compuesto por un análisis energético y una valoración económica, para el montaje y la posterior conexión a red de un parque eólico. El proyecto tendrá una doble función además de la energética, ya que servirá de elemento pedagógico, complementando prácticas y talleres municipales, con el ánimo de fomentar el desarrollo tecnológico sostenible con el medio ambiente. El ayuntamiento comunica que haría un esfuerzo y conseguiría los permisos y contratos de alquiler del suelo para utilizar todo el polígono catastral número 513. El importe del alquiler ascendería al 2,75% de la producción total, aumentando cada año un 1,5% sobre esta cifra con respecto al año anterior.
Tras realizar el estudio correspondiente con varias opciones con aerogeneradores de mayor y menor potencia, se ha de ofrecer la opción más adecuada.
La zona en la que se instalará el parque, está constituida por un área con rugosidad moderada (α = 0,19) y una superficie de 196,17 ha. El número de aerogeneradores debe optimizarse en la superficie del polígono para lograr mayores rendimientos para las arcas locales, colocándolos a distancias adecuadas para evitar perturbaciones por las estelas.
Figura 23. Datos obtenidos del Goolzoom sobre el polígono.
Tabla 3: Tabla de rugosidades.
aerogeneradores propuestos, tanto técnica
como económicamente para decidir cual es la mejor opción. Los aerogeneradores a estudio son los siguientes: • Equipo de generación eólica mediante aerogenerador VESTAS V52-850 kW. • Equipo de generación eólica mediante aerogenerador VESTAS V112-3 MW.
Se realizará también, un estudio de viabilidad de la instalación y para finalizar se presentarán las conclusiones derivadas del estudio completo. Para el estudio económico, deberán considerarse los costes de inversión: coste del aerogenerador, equipos auxiliares, obra civil, etc; así como la producción eléctrica, sabiendo que el precio de venta de la energía en tarifa regulada, debe ser el que aparece en el Real Decreto 661/2007 para instalaciones eólicas terrestres b.2.
SISTEMA EÓLICO La energía eólica es una forma indirecta de la energía solar ya
que se produce como consecuencia de la energía cinética del viento y éste es efecto de las diferencias de temperatura y presión de la atmósfera originada por la radiación del sol. La energía eólica es una forma indirecta de engría solar, puesto que son las diferencias de temperatura y de presión inducidas en la atmósfera por la absorción de la radiación solar las que ponen en movimiento los vientos. Se calcula que un 2% de la energía solar
recibida por la Tierra se convierte en energía cinéticas de los vientos. La cantidad de energía correspondiente es enorme: unos 30 millones de TWh por año, ósea, 500 veces el consumo mundial de energía en 1975. Incluso teniendo en cuenta que sólo el 10% de esta energía se encuentra disponible cerca del suelo, el potencial sigue siendo considerable; así, es difícil concebir en la actualidad la explotación de una parte notable de este potencial. En efecto, sería necesario cubrir las tierras emergidas y las superficies marinas con enormes motores eólicos. En estas condiciones, es más razonable estimar que por mucho tiempo las aplicaciones de la energía eólica se limitaran a utilizaciones locales, en regiones aisladas - a un nivel de potencia de algunos kW a algunas decenas de KW - o bien a un papel de fuente complementaria en la alimentación de las redes eléctricas - con niveles de potencia de hasta algunos MW. Las zonas más favorables para la implantación de grandes motores eólicos son las regiones costeras y las grandes estepas, donde vientos constates soplan regularmente: es necesaria una velocidad media del viento superior a 30 km/h (fuerza 5 en la escala de Beaufort). La energía eólica se empieza a utilizar para producir
electricidad durante el siglo pasado aunque siempre aplicada a instalaciones de pequeño tamaño y principalmente orientadas al autoconsumo. cobrara La busca por de sus alternativas ventajas al modelo energético Desde convencional hizo, en la década de los noventa, que la energía eólica importancia medioambientales. entonces este tipo de energía se ha desarrollado tecnológicamente demostrando su viabilidad en términos económicos y reafirmándose como energía de futuro.
Figura 24. Parque de aerogeneradores.
La energía eólica es actualmente la energía renovable con mayor crecimiento y representa ya una gran parte de la producción eléctrica. Nuestro país es uno de los mayores productores de energía eólica a nivel mundial y el estudio de las condiciones de viento en todo el territorio nacional está permitiendo la implantación progresiva de parques eólicos conectados a la red eléctrica en la mayoría de las comunidades autónomas. La energía eólica tiene una procedencia directa de la energía solar, entre el 1% y 2% de la energía solar que llega a la Tierra se convierte en energía eólica, una característica fundamental de ese tipo de energía es su gran aleatoriedad, por lo que resulta complicado estimar la cantidad de energía eólica de la que vamos a disponer en un intervalo determinado de tiempo, además presenta una gran variación local, superior a la de la energía solar.
Figura 25. Circulación del viento.
La energía eólica es la energía cinética que posee una masa de aire que se encuentra en movimiento, asimismo la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen, en otras palabras, cuanto “más pesado” sea el aire, más energía recibirá la turbina. Por lo tanto la variable básica de la que debemos partir para estimar el potencial eólico de un determinado emplazamiento, es la velocidad de viento.
ENERGÍA Y POTENCIA DEL VIENTO
Una masa de aire m con movimiento uniforme unidireccional de velocidad v que posee una energía cinética, la expresión de esta ecuación básica es:
donde: Ec : Energía cinética
m : masa de aire móvil v : velocidad de masa de aire Si ρ es la densidad del aire de la corriente uniforme, la energía por unidad de volumen de esta masa es:
1 e = ρ.v2 2
El flujo volumétrico Q a través de una superficie de control estacionaria de sección frontal A es:
Q =A v .
El flujo de energía (flujo de aire que atraviesa la superficie que cubre un aerogenerador) o potencia eólica (potencia disponible en el aire) de la corriente a través de A es:
1 P = .Q = ρ.A.v3 e 2
Figura 26. Esquema de un aerogenerador.
En la actualidad existe toda una enorme variedad de modelos de aerogeneradores,
proporcionada, como por el número de palas o incluso por la manera de producir energía eléctrica (aisladamente o en conexión directa con la red de distribución convencional). Pueden clasificarse, pues, atendiendo a distintos criterios:
1. Por la posición del aerogenerador: • Eje Vertical:
Su característica principal es que el eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo. Son también llamados “VAWTs”, que corresponde a las siglas de la denominación inglesa “vertical axis wind turbines”. Existen tres tipos de estos aerogeneradores: o Darrieus: Consisten en dos o tres arcos que giran alrededor del eje. o Panemonas: Cuatro o más semicírculos unidos al eje central. Su rendimiento es bajo. o Sabonius:
Son los más habituales y en ellos se ha centrado el mayor esfuerzo de diseño en los últimos años. Se los denomina también “HAWTs”, que corresponde a las siglas de la denominación inglesa “horizontal axis wind turbines”. Un prototipo de potencia generada 1,5 MW.
2. Por la posición del equipo con respecto al viento:
Las máquinas corriente arriba tienen el rotor de cara al viento. La principal ventaja de los diseños corriente arriba es que se evita el abrigo del viento tras la torre. Con mucho la mayoría de los aerogeneradores tienen este diseño. Por otro lado, también hay algo de abrigo enfrente de la torre, es decir, el viento empieza a desviarse de la torre antes de alcanzarla, incluso si la torre es redonda y lisa. Así pues, cada vez que el rotor pasa por la torre, la potencia del aerogenerador cae ligeramente. El principal inconveniente de los diseños corriente arriba es que el rotor necesita ser bastante inflexible, y estar situado a una cierta distancia de la torre. Además una máquina corriente arriba necesita un mecanismo de orientación para mantener el rotor de cara al viento.
Las máquinas, corriente abajo tienen el rotor situado en la cara a sotavento de la torre. La ventaja teórica que tienen es que pueden ser construidos sin un mecanismo de orientación, si el rotor y la góndola tienen un diseño apropiado que hace que la góndola siga al viento pasivamente. Sin embargo, en grandes máquinas ésta es una ventaja algo dudosa, pues se necesitan cables para conducir la corriente fuera del generador. Si la máquina ha estado orientándose de forma pasiva en la misma dirección durante un largo periodo de tiempo y no dispone de un mecanismo de orientación, los cables pueden llegar a sufrir una torsión excesiva. Un aspecto más importante, es que el rotor puede hacerse más flexible. Esto supone una ventaja tanto en cuestión de peso como de
dinámica de potencia de la máquina, es decir, las palas se curvarán a altas velocidades del viento, con lo que quitarán parte de la carga a la torre. El inconveniente principal es la fluctuación de la potencia eólica, debida al paso del rotor a través del abrigo de la torre. Esto puede crear más cargas de fatiga en la turbina que con un diseño corriente arriba.
3. Por el número de palas:
Multipala:
4. Por la manera de adecuar la orientación del equipo a la dirección del viento en cada momento: El mecanismo de orientación de un aerogenerador es utilizado para girar el rotor de la turbina en contra del viento. Se dice que la turbina tiene un error de orientación si el rotor no está perpendicular al viento. Un error de orientación implica que una menor proporción de la energía del viento pasará a través del área del rotor (esta proporción disminuirá con el coseno del error de orientación) Por tanto, la eficiencia del mecanismo de orientación es fundamental para mantener el rendimiento de la instalación.
La góndola Contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador eléctrico. El personal de servicio puede entrar en la góndola desde la torre de la turbina. A la izquierda de la góndola tenemos el rotor del aerogenerador, es decir las palas y el buje. Las palas del rotor
Capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador moderno de 600 kW. Cada pala mide alrededor de 20 m de longitud y su diseño es muy parecido al del ala de un avión. El buje El buje del rotor está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador. El eje de baja velocidad Conecta el buje del rotor al multiplicador. En un aerogenerador moderno de 600 kW. El rotor gira muy lento, a unas 19 a 30 revoluciones por minuto (rpm.) El eje contiene conductos del sistema hidráulico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinámicos. El multiplicador Tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad que está a su derecha gire 50 veces más rápido que el eje de baja velocidad. El eje de alta velocidad Gira aproximadamente a 1.500 rpm lo que permite el
funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con un freno de disco mecánico de emergencia. El freno mecánico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina. El generador eléctrico Suele ser un generador asíncrono o de inducción. En los aerogeneradores modernos la potencia máxima suele estar entre 500 y 1.500 kW. El controlador electrónico Es un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier disfunción (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el
generador),
aerogenerador y llama al ordenador del operario encargado de la turbina a través de un enlace telefónico mediante MODEM. La unidad de refrigeración Contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador eléctrico. Además contiene una unidad refrigerante por aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores refrigerados por agua. La torre Soporta la góndola y el rotor. Generalmente es una ventaja disponer de una torre alta, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos alejamos del nivel del suelo. Una turbina moderna de 600 kW. Tendrá una torre de 40 a 60 m. Las torres pueden ser bien torres tubulares (como la mostrada en el dibujo) o torres de celosía. Las torres tubulares son más seguras para el personal de mantenimiento de las turbinas ya que pueden usar una escalera interior para acceder a la parte superior de la turbina. La principal ventaja de las torres de celosía es que son más baratas. El mecanismo de orientación Está activado por el controlador electrónico, que vigila la dirección del viento utilizando la veleta. El anemómetro y la veleta Las señales electrónicas de anemómetro son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para conectarlo cuando el viento alcanza aproximadamente 5 m/s. El ordenador parará el aerogenerador automáticamente si la velocidad del viento excede de 25 m/s, con el fin de proteger a la turbina y sus alrededores. Las señales de la veleta son utilizadas por el controlador electrónico para
girar el aerogenerador en contra del viento, utilizando el mecanismo de orientación.
Figura 27. Parque de Kappel.
Los aerogeneradores son siempre elementos muy visibles en el paisaje. De lo contrario, no estarían situados adecuadamente desde un punto de vista meteorológico. La figura muestra el parque eólico de Kappel, probablemente sea una de las distribuciones de máquinas eólicas más agradables posibles desde el punto de vista estético. La forma del dique a lo largo de la costa se repite en la línea de las turbinas. En todo caso el impacto visual es algo consustancial a esta forma de producir energía. Puede minimizarse en lo posible, por ejemplo pintando las torres de gris, pero nunca evitarse totalmente. En áreas llanas suele ser una buena estrategia disponer las turbinas según una distribución geométrica simple, fácilmente perceptible por el espectador. Sin embargo, existen límites a la utilización de patrones simples: en paisajes con fuertes pendientes, rara vez es viable la utilización de un patrón simple, y suele ser mejor hacer que las turbinas sigan los contornos del altitud del paisaje, o los cercados u otras características del mismo. Otro efecto (defecto) achacado a este tipo de instalaciones es la contaminación acústica. Aunque el sonido no es un problema capital para la industria, dada la distancia a la que se encuentran los vecinos más cercanos (normalmente se observa una distancia mínima de unos 7 diámetros de rotor o 300 metros), no por ello es este un detalle que se descuide totalmente a la hora de diseñar nuevos equipos. Además, ningún paisaje está nunca en silencio absoluto. Por ejemplo, las aves y las actividades humanas emiten sonidos y, a velocidades del viento alrededor de 4 - 7 m/s y superiores, el ruido del viento en las hojas, arbustos, árboles, mástiles, etc. Enmascarará (ahogará) gradualmente cualquier potencial sonido de los aerogeneradores.
Esto hace que la medición del sonido de los aerogeneradores de forma precisa sea muy difícil. Generalmente, a velocidades de 8 m/s y superiores llega a ser una cuestión bastante abstrusa el discutir las emisiones de sonido de los modernos aerogeneradores, dado que el ruido de fondo enmascarará completamente cualquier ruido de la turbina. Al menos este es el punto de vista defendido por los fabricantes de equipos eólicos. Por último se hace necesario reseñar, aunque sea muy sucintamente, un debate abierto entre la industria explotadora de parque eólicos y los diferentes grupos de defensa de la naturaleza, quienes paradójicamente deberían ser los mayores defensores de esta fuente no contaminante de energía. Tal debate es la mortandad de aves causadas por colisiones con las aspas de los equipos. Las posturas son enfrentadas y las posiciones dispares.
3.4.1 ALGUNAS CONSIDERACIONES SOBRE LA ENERGÍA EÓLICA
productores de energía eléctrica se deben realizar estudios exhaustivos de las condiciones del viento en la zona. Los aerogeneradores para funcionar a pleno rendimiento necesitan viento de fuerza y velocidad lo más constante posible, sin cambios bruscos al alza o a la baja.
Figura 28. Instalación eólica.
Los científicos aseguran que la energía eólica será la fuente energética que más crecerá en los próximos años. Es evidente que estamos delante de seguramente la mejor energía renovable que se puede generar, no produce contaminación en el medio ambiente, no afecta al cambio climático, y además el viento es una fuente inagotable, por lo que es una de las mejores alternativas para reducir la dependencia a los combustibles no renovables como el petróleo. La energía eólica funciona por una tecnología ya consolidada, promovidas por empresas de gran nivel y prestigio, por lo que su potencial de desarrollo es más elevado durante las próximas décadas. Por eso, casi con toda seguridad, podemos decir que la eólica alcanzará el 15% de la producción eléctrica europea en 2030, creando millones de empleos en todo el mundo. Por otra parte, el reto sigue siendo la mejora del diseño de los aerogeneradores, que permitan reducir su tamaño sin perder eficiencia, reducir costes de materias primas, optimizar el mantenimiento de los molinos, y encontrar soluciones para evitar los efectos negativos en las aves. Además, también se potenciará la eólica marina, ya que en el mar, la fuerza del viento es más estable y permite la colocación de aerogeneradores más pequeños con vida más útil.
I. En zonas muy ventosas durante todo el año, es capaz de garantizar por sí sola todo el suministro energético
necesario sin necesidad de apoyo de otras fuentes de energía. En zonas poco ventosas es aconsejable que vaya acompañado de paneles solares, garantizando el suministro a lo largo de todo el año en días nublados (habitualmente ventosos) y soleados.
II. Es un sistema de producción energética limpio y renovable indefinidamente, lo que es garantía para nuestro suministro energético y para nuestra salud futuros. III. En aprovechamiento energético del viento requiere una tecnología relativamente sencilla y suficientemente probada. El aerogenerador dispone de sistemas de seguridad para autoprotegerse, como puede ser el autofrenado o el cambio de plano de las palas cuando las velocidades del viento sean extremas. IV. Una vez instalado el generador eólico, éste nos ofrecerá un suministro energético garantizado y gratuito durante muchísimos años de servicio.
CRONOGRAMA VISUAL DE IMPLANTACIÓN DE EQUIPOS
1. Situación de los pilotes de cimentación.
Figura 10. Pilotajes cimentación.
Figura 11. Distribución de pilotes.
2. Colocación del armado.
Figura 12. Armado.
3. Cimentación completa.
Figura 13. Cimentación completa.
4. Colocación Trafo Media-Alta.
Figura 14. Trafo baja-media.
5. Montaje de los tramos de la torre.
Figura 15. Montaje tramos.
6. Montaje de buje.
Figura 16. Buje rotor.
Figura 17. Buje rotor parte trasera.
7. Montaje completo de torre y buje.
Figura 18. Montaje.
8. Línea M.T subterránea.
Figura 19. Línea M.T subterránea.
9. Colocación de palas.
Figura 20. Elevación Palas.
Figura 21. Montaje completo.
ELECCIÓN DEL TIPO DE AEROGENERADOR
Se ha de estudiar el potencial eólico disponible en la zona donde se pretende instalar el aerogenerador, al objeto de velar por su rentabilidad y diseño. Como punto de partida, es importante disponer de datos fidedignos de alguna estación anemométrica cercana. Posteriormente los datos que nos sean facilitados deberán corregirse y adaptarse a la ubicación definitiva del parque eólico.
DATOS DE PARTIDA. NIVEL DE VIENTO
Los aerogeneradores se pueden colocar bajo diferentes y variadas condiciones climáticas: donde la densidad del aire, la intensidad de turbulencia, la velocidad media del viento y el parámetro de forma k son los parámetros a considerar. Si la intensidad de turbulencia es alta, las cargas en el aerogenerador aumentan, y su tiempo de vida disminuye. Por el contrario las cargas se reducirán, y su tiempo de vida aumentará, si la velocidad media del viento o la intensidad de turbulencia o ambas son bajas. Por lo tanto, los aerogeneradores pueden colocarse en
emplazamientos con alta intensidad de turbulencia si la velocidad media del viento es adecuadamente baja. Las condiciones climáticas han de examinarse si lo prescrito es excedido. El valor característico, a altura de buje, de la intensidad de turbulencia a la velocidad de viento media diezminutal de 15 m/s, se calcula sumando la desviación estándar medida de la intensidad de turbulencia a su valor medio.
En terreno complejo las condiciones de viento serán verificadas sobre la base de medidas realizadas en el emplazamiento. Además, habrá que considerar el efecto de la topografía en la velocidad y perfil del viento, la intensidad de turbulencia y la inclinación del flujo de viento sobre cada aerogenerador.
Mese s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Medi a
Velocidad media a 80m (m/s) 6,08 2,02 2,00 2,03 6,83 7,03 6,38 4,45 4,46 4,07 6,01 6,17 4,79
Tabla 4: Velocidades mensuales medias.
Estacio nes Primave ra Verano Otoño Invierno Media
Velocidad media (m/s) 2.01 6.75 4.32 6.08 4.79
Tabla 5: Velocidades Estacionales medias.
Considerando los valores obtenidos del recurso solar durante todo el año 2010, se tiene una velocidad media anual de 4,79 m/s y las
velocidades mensuales medias mostradas, siendo la rugosidad del terreno de α = 0,2. Para la elección final del aerogenerador, entre las dos opciones disponibles, se debe proceder a algunos cálculos intermedios, tales como:
Velocidad media del viento y probabilidad (Rosa de los vientos).
Distribución Weibull. Histograma de velocidad.
3.8.2 ADAPTACIÓN DE LOS DATOS DE VIENTO AL EMPLAZAMIENTO
Los datos proporcionados por el IDAE con los que se efectuó la campaña de medidas se encuentra a 80 metros de altura, mientras que el eje de los aerogeneradores normalmente se encuentra a una altura superior, en este caso es así para la opción 2. Dado que el viento aumenta con la altura se deberá realizar una corrección en altura de los datos obtenidos. Uno de los modelos más empleados para realizar la corrección del viento en altura es el potencial modificado propuesto por Mikhail y Justus. Viene dado por la expresión exponencial:
V(y)  y  =  V(y0 )  y0   
V(y : Velocidad del viento. )
y0 : Altura de referencia a la que la velocidad es conocida.
α : Coeficiente de rugosidad.
Se ha adoptado una rugosidad de 0,19 m, que corresponde a un terreno rugoso de los posibles terrenos circundantes al emplazamiento de los aerogeneradores. Las alturas de los bujes de cada aerogenerador son: VESTAS V52-850 kW: Máximo 65 m. VESTAS V112-3 MW: Máximo 119 m. Expertos en el campo de la energía eólica aconsejan realizar el tratamiento de datos a 80 m para VESTAS V52-850 KW y para VESTAS V112-3 MW a 100 m. Haciendo caso a este criterio se calculan las velocidades a respectivas alturas a continuación: Mese s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Medi a Velocidad media a 80m(m/s) 6,08 2,02 2,00 2,03 6,83 7,03 6,38 4,45 4,46 4,07 6,01 6,17 4,79 Velocidad media a 100m(m/s) 6,34 2,11 2,09 2,12 7,13 7,33 6,66 4,64 4,65 4,25 6,27 6,44 5,00
Tabla 6: Velocidades mensuales medias a distintas alturas.
Por lo tanto la velocidad media del viento en Tendilla en los meses de estudio a las distintas alturas de 80 y 100 metros del buje del aerogenerador respectivamente son de 4,79 m/s y 5,00m/s.
Gráficamente, las velocidades medias mensuales del viento vienen dadas por:
Figura 29. Gráfico de barras de velocidades medias del viento.
Una vez definido el recurso eólico, nos fijamos en la rosa de los vientos de velocidad más probable en cada una de las direcciones principales y también en el histograma o diagrama de barras de horas de funcionamiento del aerogenerador en cada velocidad.
Direcciones del viento N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW
Frecuencia (%) 5,42 5,98 10,41 7,10 3,84 4,51 7,30 4,84 4,54 6,01 7,00 10,03 6,83 6,10 5,67 4,43
Velocidad (m/s) 6,16 6,40 7,55 6,95 4,89 5,12 5,89 4,97 4,75 5,69 5,71 6,53 5,06 5,40 5,84 5,58
Tabla 7: Frecuencias y velocidades.
Figura 30. Rosa de los vientos de velocidades y frecuencias.
Velocidad media a 80m(m/s) 6,08 2,02 2,00 2,03 6,83 7,03 6,38 4,45 4,46 4,07 6,01 6,17 4,79
Velocidad media a 100m(m/s) 6,34 2,11 2,09 2,12 7,13 7,33 6,66 4,64 4,65 4,25 6,27 6,44 5,00
Tabla 8: Velocidades mensuales medias a distintas alturas.
Figura 31. Gráfico de velocidad del viento más probable.
La rosa de los vientos para velocidad y frecuencia y el histograma de velocidades del viento, de donde se deduce que la velocidad más probable es aproximadamente 7,55 m/s en la dirección NE con una frecuencia aproximada del 10,41%. De las opciones disponibles:
PRECIO S POTEN CIA
OPCIÓN 1 VESTAS V52-850 kW 825.000 € 850 kW
OPCIÓN 2 VESTAS V112-3 MW 3.000.000 € 3 MW
Tabla 9: Opciones de Aerogeneradores.
La ubicación de la instalación es la misma para las dos posibles soluciones que podemos adoptar. Comenzamos interpretando los valores de potencia
proporcionados por el fabricante de los diversos aerogeneradores, a partir de esta interpretación ejecutamos la curva que representa la potencia suministrada por la máquina para cada velocidad del viento. Para la obtención de la curva de potencia de los
aerogeneradores, los fabricantes miden al mismo tiempo la potencia suministrada y la velocidad del viento. La potencia máxima evaluada por el fabricante, expresa la potencia a plena carga en condiciones óptimas de viento. No obstante, existe un amplio rango de velocidades para las que la potencia suministrada es menor. Esta zona de la curva se denomina zona de funcionamiento a carga parcial. De ellas también podremos extraer la velocidad de conexión y de desconexión del aerogenerador. Valoramos las opciones de las que disponemos:
Opción 1: VESTAS V52-850 kW
Figura 32.Curva de Potencia-Velocidad.
Opción 1: VESTAS V112-3 MW
Figura 33.Curva de Potencia-Velocidad.
Producción del aerogenerador
A partir de la curva de potencia facilitada por el fabricante para cada aerogenerador, y de los datos de la velocidad del viento en la ubicación dada, se puede estimar la producción anual de energía, sin más que multiplicar la potencia suministrada por el aerogenerador a cada velocidad por las horas al año que el viento sopla a cada velocidad considerada.
Cálculo de la Distribución de Weibull
La variación del viento en una localización dada suele representarse utilizando la llamada Distribución de Weibull. El análisis de Weibull es la técnica más elegida para estimar una probabilidad, basada en datos medios o asumidos.
En el eje x, se expresan los datos de velocidad en m/s y en el eje y, se representa la probabilidad o frecuencia de duración del viento a esa velocidad. Es decir, como un % de tiempo durante el cual sopla el viento en el lugar considerado. • Opción 1: VESTAS V52-850 kW
Velocidad del viento (m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Probabilidad de Weibull P(v) 3,54% 7,79% 11,45% 13,78% 14,44% 13,51% 11,43% 8,82% 6,22% 4,02% 2,38% 1,30% 0,65% 0,30% 0,13% 0,05% 0,02% 0,00% 0,00% 0,00%
Tabla 10: Probabilidad de Weibull.
De forma grafica, podemos calcular un promedio de las horas durante las cuales sopla el viento a lo largo del año:
100% → 8.760 horas que tiene el año. 1% → x horas, porcentaje que corresponde.
De la Distribución Weibull, se obtienen de forma bastante aproximada las horas de viento en función de las diferentes velocidades. No se debe olvidar la incertidumbre de los cálculos, dado que se manejan aproximaciones.
Las horas equivalentes de funcionamiento para cada una de las diferentes velocidades de funcionamiento, se calculan de forma muy aproximada a partir de la expresión gráfica de Weibull. Aplicando la siguiente expresión numérica:
8760 Nº HORAS= porcentaje 100
Siendo de este modo, las horas equivalentes de funcionamiento a cada velocidad:
Velocidad del viento(m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Horas 310,104 682,404 1003,02 1207,128 1264,944 1183,476 1001,268 772,632 544,872 352,152 208,488 113,880 56,94 26,28 11,388 4,38 1,752 0 0 0
Tabla 11: Horas de viento a cada velocidad.
Una vez que se tiene las horas equivalentes de funcionamiento del aerogenerador para cada velocidad de funcionamiento, es posible determinar de forma gráfica el histograma de velocidades para el punto sometido a estudio. Teniendo siempre presente la gran variabilidad de los datos por su poca exactitud en la obtención de los mismos. Obteniéndose el siguiente histograma horas / velocidad:
Figura 34.Velocidades-Hora.
Figura 35.Distribución de Weibull gráficamente.
Opción 2: VESTAS V112-3 MW
Procederemos a realizar el mismo estudio que con la opción 1.
Probabilidad de Weibull P(v) 3,56% 7,31% 10,40% 12,38% 13,08% 12,57% 11,12% 9,14% 7,01% 5,02% 3,38% 2,13% 1,26% 0,70% 0,37% 0,18% 0,08% 0,04% 0,02% 0,01%
Tabla 12: Probabilidad de Weibull.
311,856 640,356 911,040 1084,488 1145,808 1101,132 974,112 800,664 614,076 439,752 296,088 186,588 110,376 61,320 32,412 15,768 7,008 3,504 1,75 0,876
Tabla 13: Horas de viento a cada velocidad.
Figura 36.Velocidades-Hora.
Figura 37.Distribución de Weibull gráficamente.
Una vez conocidas las horas promedio anuales, multiplicando cada potencia por las horas de viento al año se obtiene la producción anual a cada velocidad (en kWh). Sumando las producciones, se obtiene la energía suministrada (Esum) por el aerogenerador, anualmente. A partir de su curva de potencia y junto con la distribución de velocidades, tenemos: Producción = Potencia x horas
A partir de la producción anual, hallamos el factor de carga (FC), esto es, las horas equivalentes de funcionamiento a plena carga del aerogenerador (100%).
EnergiaAnu al(kW ) h FC = PotenciaAe reo(kW)
FC(kWh/ kW) FC(%)= * 100 8760 h
Velocidad del viento(m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 TOTAL
Potenci a (kW) Opción 1 0 0 0,10 50 80 100 150 270 330 540 690 795 815 850 0 0 0 0 0 0 -
545,75 1114,2 7 1487,4 5 1576,8 0 1401,6 0 1078,3 6 720,95 423,11 218,12 98,99 39,42 14,02 4,38 0,88 0 0 0 0 0 0 -
Producc ión (kWh) Opción 1 0 0 100,302 60356,4 101195,5 2 118347,6 150190,2 208610,6 4 179807,7 6 19162,08 143856,7 2 90534,6 46406,1 22338 0 0 0 0 0 0 1.311.9 05,9
Potenci Producci a (kW) ón Opción (kWh) 2 Opción 2 0 0 0 0 100 125 240 490 700 1000 1375 2000 2875 3000 0 0 0 0 0 0 0 0 91104 135561 274993,9 2 539554,6 8 681878,4 800664 844354,5 879504 851253 559764 0 0 0 0 0 0 0 0 5.658.6 31,5
Tabla 14: Producción de los diferentes aerogeneradores.
El aerogenerador que más produce es el correspondiente a la segunda opción. El correspondiente factor de carga para cada aerogenerador será:
FC1 = 1543,42 horas = 17,62 % → producción: 1.311.905,9 kWh/año. FC2 = 1886,21 horas = 21,53 % → producción: 5.658.631,5 kWh/año.
El valor obtenido en todos dos los casos se encuentra dentro del rango permitido, dado que el FC debe encontrarse entre el 15 y el 30%, siendo la media anual de horas equivalentes de funcionamiento para un aerogenerador en España, en torno a 2.060, tendiendo a bajar cada año. Estos cálculos no nos declinan por una u otra opción con claridad, a primera vista descartarían la opción uno. Para decidir cuál es la mejor opción, realizamos el estudio económico de los dos casos presentados.
El proyecto a realizar tendrá una partida de coste que depende fundamentalmente del precio del aerogenerador: - Aerogenerador OPCIÓN 1… 825.000 € - Aerogenerador OPCIÓN 2 … 3.000.000 € Además, sabemos que el precio de venta de energía es 7,3228 c€/kWh los primeros 20 años y 6,1200 c€/kWh, el resto. En resumen, OPCIÓN PRODUCCIÓ N ANUAL (Kwh/año) INVERSIÓN (€)
1 1.311.905,9 1.196.250
2 5.658.631,5 4.350.000
FC (%) ALQUILER PRIMER AÑO (€) ALQUILER SEGUNDO AÑO (€) TIEMPO DE AMORTIZAC IÓN (años)
17,62 % 2.401,71 2.401,71+36,03=2.437,7 4 ≈ 11 años
Tabla 15: Resumen.
21,53 % 10.359,26 10.359,26+155,39=10.514, 65 ≈ 12 años
Económicamente las dos opciones tienen un periodo de amortización muy parecido, diferenciándose en un año. En cuanto al tema económico hay una diferencia considerable ya que la potencia de los aerogeneradores es distinta y por consiguiente su precio varía en relación a la misma, lo que hace que la inversión también lo haga.
aerogenerador es de unos 20 años, aproximadamente. Teniendo en cuenta que con la opción 1 serían veinticuatro los aerogeneradores que se podrían instalar en el emplazamiento de estudio, y que con la opción 2 el número bajaría a siete aerogeneradores, tendremos en cuenta el estudio siguiente para la elección de los mismos. OPCIÓN PRODUCCIÓN ANUAL (Kwh/año) INVERSIÓN (€) NÚMERO DE AEROS INVERSIÓN CON NÚMERO DE AEROS PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ANUAL CON TOTAL DE AEROS (kWh/año) INVERSIÓN CON
1 1.311.905,9 1.196.250 24 28.710.000 31.485.741,6 28.714.839,45
2 5.658.631,5 4.350.000 7 30.450.000 39.610.420,5 30.460.359,26
NÚMERO TOTAL DE AEROS Y ALQUILER PRIMER AÑO INVERSIÓN CON NÚMERO TOTAL DE AEROS Y ALQUILER SEGUNDO AÑO
28.746.077,41
Tabla 16: Resumen 2.
30.470.873,91
A la vista de los datos obtenidos tanto en producción energética cómo en análisis económico, la diferencia es notable sobre todo en lo que se refiere a la producción anual. La elección de usar uno u otro modelo de aerogenerador debe basarse en los aspectos estudiados. Atendiendo al balance económico y técnico de ambos modelos la opción que más encaja, es la opción 2. Si también valoramos que el mantenimiento de los aerogeneradores es una característica a tener en cuenta a la hora de hacer una elección. Esta opción obtendrá aún más fuerza, ya que a menos número de aerogeneradores menos gasto en mantenimiento destinado a los mismos, al año. De modo, que la opción correcta para la construcción de un parque eólico con un estudio viable en el emplazamiento elegido sería la instalación del modelo VESTAS V112-3MW.
II. ANEXOS A LA MEMORIA.
DISEÑO DEL SISTEMA EÓLICO Lo primero es calcular el perfil de velocidad. Para ello conseguimos los valores de la velocidad del viento en
Tendilla, a diferentes alturas. Así como los valores de los parámetros Weibull a dichas alturas.
Figura 38.Valores de h, parámetros Weibull a diferentes alturas.
Los datos en la tabla son diferentes a los presentados en la imagen anterior ya que un técnico especializado en la materia nos ha aconsejado utilizar los siguientes correspondientes a la misma zona. h 100 80 v 4,76 4,49 v(cálcul o) 4,68 4,39 Diferenc ia 0,08 0,10 k 2,120 2,224 c 6,82 6,39
Tabla 17: Valores de h, k y c a diferentes alturas.
A la vez que obtenemos esos valores de la velocidad del viento a diferentes alturas, también obtenemos el valor de k y c, parámetros básicos para el cálculo de la distribución Weibull. Tenemos el valor del coeficiente de rugosidad de la zona donde se ubicará el aerogenerador,
Alfa (α) 0,19
Los valores finales de v, k y c:
RESULTADOS FINALES k c
VESTAS V52850 kW 2,224 6,39
VESTAS V112-3 MW 2,120 6,82
A partir de estos valores se dibuja la distribución Weibull correspondiente Memoria. al emplazamiento y se obtienen las horas de funcionamiento del aerogenerador en la zona, como se muestra en la
DISTRIBUCIÓN DE AEROGENERADORES
DISPOSICIÓN DE LOS AEROGENERADORES
La elección de la ubicación de las máquinas eólicas está condicionada por aspectos como la orografía, la situación de los accesos o de la línea de transporte hacia la que se va a evacuar la producción eléctrica.
Sin embargo, el factor más importante a la hora de elegir la ubicación de los aerogeneradores es la dirección de los vientos dominantes. Así, las máquinas se han de situar siguiendo hileras perpendiculares a dicha dirección, dado que así es posible aprovechar al máximo el recurso eólico disponible. Sin embargo, esta disposición sólo es posible en terreno llano, como es nuestro caso. Cuando la orografía es complicada, como ocurre en muchos emplazamientos, es obligado realizar modificaciones al diseño ideal.
Figura 39.Distribución aerogeneradores.
En nuestro caso la colocación de las filas será perpendicular a la dirección NE ya que es la dirección dominante del viento.
EL EFECTO DE LAS ESTELAS EN LA DISTANCIA ENTRE TURBINAS EÓLICAS
Un parámetro fundamental en el diseño de un parque eólico es el de la distancia entre los aerogeneradores. Así, sería deseable situar las máquinas suficientemente juntas, para aprovechar al máximo el terreno en zonas muy ventosas. Además, disminuir la distancia también
permite reducir las pérdidas eléctricas en las líneas de media tensión, así como el coste del cableado. Sin embargo, el viento procedente de un aerogenerador tiene menos velocidad que a la entrada de éste, al ceder su energía para la producción de electricidad. Además, la corriente de aire de salida suele presentar turbulencias, que pueden tener una influencia adversa en las máquinas, al poner en riesgo su seguridad. Por ello, es indispensable mantener una distancia mínima, para que la estela de cada aerogenerador no tenga una influencia apreciable en aquellos que estén situados detrás, preservando así tanto las condiciones de seguridad como de máxima producción de energía. El efecto de las estelas es bastante más importante en la dirección del viento dominante que en la dirección perpendicular a ésta. Por ello, la distancia mínima a guardar ha de ser mayor en el primer caso. Como norma general, se suele tomar un margen de seguridad de entre 5 y 9 diámetros de rotor en la dirección del viento dominante, y de 3 a 5 diámetros en la dirección perpendicular. En cualquier caso, en cada emplazamiento hay que realizar una valoración particular, para sopesar las ventajas e inconvenientes de elegir una distancia mayor o menor.
Figura40.Distancias entre filas y aerogeneradores.
III. ESTUDIO ECONÓMICO
El proyecto a realizar tendrá una partida de coste que depende fundamentalmente del precio del aerogenerador:
- Aerogenerador Opción 1: 825.000 € - Aerogenerador Opción 2: 3.000.000€
Además, sabemos que el precio de venta de energía es 7,3228 c€/kWh los primeros 20 años y 6,1200 c€/kWh, el resto. Y existen otras partidas de gastos a considerar, tales como:
- Equipos auxiliares: la instalación de estos equipos supone un 60% del coste del aerogenerador.
- Obra civil: antes que la instalación definitiva pueda ejecutarse, la obra civil debe ser realizada completamente. Esta obra consiste en las cimentaciones en concreto para el anclaje de la torre y, en algunos casos, una caseta de ubicación del banco de baterías, en el caso de grandes parques eólicos. El coste de obra civil, nos indican que se estima en torno al 20% del coste del aerogenerador.
- Financiación estatal: se ha conseguido una financiación estatal en torno al 35% del valor del aerogenerador. - Alquiler: será del 2,5% el primer año y del 1,5% años sucesivos respecto al año anterior. Analizamos cada opción individualmente para decidir cuál es la opción más rentable.
• PRESUPUESTO OPCIÓN 1 VESTAS V52-850kW:
Aerogenerador… 825.000 € Equipos auxiliares… 60% * 825.000 = 495.000 € Obra civil… 20% * 825.000 = 165.000 € Financiación estatal… 35% * 825.000 = 288.750 € Inversión total: 825.000 + 495.000 + 165.000 – 288.750 = 1.196.250 € Ingresos primeros 20 años: 1.311.905,9 1.921.364,90 € Cada año: 96.068,25 € Restantes años: 1.311.905,9 kWh/año * 0,061200 €/kWh * 1 año = 80.288,64 € cada año. Tiempo de amortización: 1.196.250 € – 1.921.364,90 € – 80.288,64 * x = 0 X = -9,03 ≈ 9 años → Sobre 11 años. Alquiler primer año… 2,5% * 96.068,25 = 2.401,71 € Alquiler segundo año… 1,5% * 2.401,71 = 2.437,74 € Opción interesante, se tendrían unos beneficios de kWh/año * 0,073228 €/kWh * 20 años =
1.056.750,75 € en el año 11º, y unos beneficios de 1.028.258,60 € restando el alquiler de esos once primeros años.
• PRESUPUESTO OPCIÓN 2 VESTAS V119-3MW:
Aerogenerador… 3.000.000 € Equipos auxiliares… 60% * 3.000.000 = 1.800.000 € Obra civil… 20% * 3.000.000 = 600.000 € Financiación estatal… 35% * 3.000.000 = 1.050.000 € Inversión total: 3.000.000 + 1.800.000 + 600.000 – 1.050.000 = 4.350.000 € Ingresos primeros 20 años: 5.658.631,5 8.287.405,35 € Cada año: 414.370,27 € Restantes años: 5.658.631,5 kWh/año * 0,061200 €/kWh * 1 año = 346.308,25 € cada año Tiempo de amortización: 5.658.631,58.287.405,35 – kWh/año * 0,073228 €/kWh * 20 años =
346.308,25 * x = 0 X = -7,59 ≈ 8 años. → Sobre 12 años. Alquiler primer año… 2,5% * 414.370,27 = 10.359,26 € Alquiler segundo año… 1,5% * 10.359,26 = 10.514,65 € Opción también interesante ya que en el año 12º ya se tendrían unos beneficios aproximados de 4.972.443,24 € si a esto le restamos el alquiler de los doce primeros años, tendríamos unos ingresos de 4.837.345,87 €. Se calcula que el aerogenerador tiene una vida útil de unos 20 – 25 años, aproximadamente.
Comparando en una tabla las dos opciones de las que se dispone, se tiene: CONCEPTO Potencia del aerogenerador (kW) Vida útil (años) Productividad de la instalación(kWh/ año) Precio venta electricidad (€/kWh) 1ª 20 años Precio venta de electricidad(kWp) resto de años Inversión € Pago inicial del titular (20%), € Préstamo bancario (80%), € Alquiler primer año (€) Alquiler segundo año (€) Ingresos anuales hasta los años de amortización incluido el alquiler desde el tercer año en adelante (€) Ingresos primeros 20 años (€) Ingresos anuales (resto años), € Tiempo amortización, años VESTAS V52850 kW 850 20-25 1.311.905,9
VESTAS V112-3 MW 3.000 20-25 5.658.631,5
0,061200 1.196.250 957.000 239.250 2.401,71 2437,74 93.478,05 1.921.364,90 80.288,64 11
0,061200 4.350.000 3.480.000 870.000 10.359,26 10.514,65 403.112,16 8.287.405,35 346.308,25 12
Tabla 18: Tabla resumen del estudio de viabilidad del sistema eólico.
Los la opción 2 será la elegida debido a las condiciones de inversión inicial - beneficios.
Ser consumidores dependientes del petróleo y consumidores excesivos de la energía nos lleva a una reconversión energética; el sistema eólico rompe la dependencia económica de los proveedores de combustible. Las energías renovables constituyen una fuente inagotable de abastecimiento de energía, ya que provienen de manera directa o indirecta de la luz del sol y se renuevan continuamente. La energía eólica disponible supera, incluso, hasta doscientas veces la demanda total de la humanidad. La industria de la energía eólica es demasiado joven, se deben esperar algunos años más para que alcance su madurez (confianza razonable en las tecnologías y materiales utilizados). También se tiene como una de sus desventajas, tal vez, la más importante el desconocimiento que muchos tienen de estos sistemas y la falta de inversiones en este sector. Actualmente los diferentes recursos que puede aprovecharse de las energías limpias están haciendo que estas vayan cobrando cada
vez más popularidad, siendo adoptadas como modo de abastecimiento en muchos países en la actualidad. Los combustibles fósiles son finitos. Hablar aquí de décadas o de más de 200 años es, en este caso, secundario. Las necesidades energéticas de la población mundial seguirán aumentando a pasos agigantados en un futuro próximo. Los combustibles fósiles son cada vez más caros, al aumentar su escasez, y explotar los nuevos yacimientos de dicha energía requiere un mayor esfuerzo, tiempo y dinero. Todos conocemos la evolución de los precios en el mercado de la energía: una señal clara de que vamos rumbo a una situación deficitaria. El uso de combustibles fósiles presenta, con los conocimientos actuales y el estado de la técnica en este momento, muchas más desventajas a nivel mundial que el uso de las energías renovables. El uso sistemático e industrial de las energías renovables se encuentra aún en sus primeros estadios de desarrollo. Si se toman como patrón de referencia todas las mejoras tecnológicas surgidas a lo largo de los últimos dos siglos, la tecnología - y, por lo tanto, la eficiencia - continuará sin duda su fantástico desarrollo en los años venideros. La significativa. diversidad Algunos geográfica países y de los recursos disponen es de también recursos
sensiblemente mejores que otros, en particular en el sector de la energía renovable. Algunos países disponen de recursos importantes cerca de los centros principales de viviendas donde la demanda de electricidad es importante. La utilización de tales recursos a gran escala necesita, sin embargo, inversiones considerables en las redes de transformación y distribución, así como en la propia producción.
En España, en cuanto a la normativa general, se deben mencionar los siguientes documentos: • • • Ley 54/1997, del sector eléctrico, de 27 de noviembre Plan de Energías Renovables en España (PER) 2005-2010 Real Decreto 842/2002, Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión • Real Decreto 314/2006 de 17 de Marzo, Código Técnico de Edificación Con respecto a la normativa desde el punto de vista
administrativo los siguientes documentos pueden distinguirse: • Real Decreto 2818/1998, de 23 de diciembre sobre producción de energía eléctrica por instalaciones abastecidas por recursos o fuentes de energía eléctrica
por instalaciones abastecidas por recursos o fuentes de energías renovables, residuos y cogeneración (en todo lo no previsto por el Real Decreto 1663/2000) • Orden del 6 de Julio de 1984 (BOE del 1 de Agosto de 1984), por el que se aprueban las instrucciones técnicas complementarias del Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad en Centrales Eléctricas, Subestaciones y Centros de Transformación. • Orden de 18 de Octubre de 1984 (BOE de 25 de Octubre de 1984), complementaria a la anterior. • Orden de 5 de septiembre de 1985 por la que se establecen normas administrativas y técnicas para funcionamiento y conexión a las redes eléctricas de centrales hidroeléctricas de hasta 5.000 KVA y centrales de autogeneración eléctrica. • Orden ECO/797/2002, de 22 de marzo por el que se aprueba el procedimiento de medida y control de continuidad del suministro eléctrico. • Real Decreto 154/1995, de 3 de febrero, por el que se modifica el real decreto 7/1988, de 8 de enero, por el que se regula las exigencias de seguridad del material eléctrico destinado a ser utilizado en determinados límites de tensión. • Real Decreto 1955/2000, de 1 de diciembre, por el que se regulan las actividades de transporte, y distribución, de comercialización, suministro procedimientos
autorización de instalaciones de energía eléctrica. • Resolución de 31 de mayo de 2001 por la que se establecen modelo de contrato tipo y modelo de factura
para instalaciones solares fotovoltaicas conectadas a la red de alta tensión. • Real Decreto 841/2002, de 2 de Agosto por el que se regula para las instalaciones de producción de energía eléctrica en régimen especial su incentivación en la participación en el mercado de producción, determinadas obligaciones de información de sus previsiones de producción, y la adquisición por los comercializadores de su energía eléctrica producida. • Real Decreto 1433/2002, de 27 de diciembre de 2002 por el que se establecen los requisitos de medida en baja tensión de consumidores y centrales de producción en Régimen Especial. • Real Decreto 1801/2003 de 26 de diciembre de 2003 sobre seguridad general de los productos. • Real Decreto 1580/2006, de 22 de diciembre, por el que se regula la compatibilidad electromagnética de los equipos eléctricos. • Real Decreto 436/2004 de 27 de marzo, sobre producción de energía eléctrica para instalaciones alimentadas por recursos o fuentes de energías renovables, residuos o cogeneración. • Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. • Real Decreto 1114/2007 de 24 de agosto de 24 de agosto, por el que se complementa el Catálogo Nacional de Cualificaciones Profesionales, mediante el
establecimiento de cuatro cualificaciones profesionales correspondientes a la familia profesional energía y agua. • Real Decreto 2366/1994 de 9 de Diciembre sobre producción de energía eléctrica para las instalaciones hidráulicas, de cogeneración y otras abastecidas por recursos o fuentes de energía renovables. (BOE de 31 de Diciembre de 1994). • • Real Decreto1578/2008. Reglamento Electrotécnico de Alta Tensión.
Hay que tener en cuenta que cuando no exista disposición normativa de obligado cumplimiento aplicable se tendrán en cuanta los siguientes elementos: a) Normas técnicas nacionales de transposición de normas europeas no armonizadas. b) Normas UNE. c) Las recomendaciones de la Comisión Europea. d) Los códigos de buenas prácticas. e) El estado actual de los conocimientos y de la técnica.
El sistema eólico, además de tener legislación en común con otros sistemas de energías renovables también tiene legislación propia, tal como:
Ley 50/1998, de 30 de diciembre, de Medidas Fiscales Administrativas, y del Orden Social. BOE número 313 de 31 de diciembre de 1998. Modifica la Ley 54/97 del Sector Eléctrico.
Real Decreto 2019/1997, de 26 de diciembre, por el que se organiza y regula el mercado de producción de energía eléctrica. BOE número 310 de 27 de diciembre de 1997.
Orden de 29 de diciembre de 1997, por la que se desarrollan algunos aspectos del Real Decreto 2019/1997, de 26 de diciembre, por el que se organiza y regula el mercado de producción de energía eléctrica. BOE número 313 del 31 de diciembre de 1997.
FICHA TÉCNICA AEROGENERADOR VESTAS V52-850KW
FICHA TÉCNICA AEROGENERADOR VESTAS V112-3
ROSA DE LOS VIENTOS DE VELOCIDADES Y FRECUENCIAS
Figura 41.Rosa de los vientos.
10.1 PLANO DE UBICACIÓN
10.2 PLANOS DE IMPLANTACIÓN DE EQUIPOS
OPCIÓN 1 VESTAS V52-850kW:
OPCIÓN 2 VESTAS V119-3MW:
La bibliografía utilizada como apoyo en la resolución de este proyecto ha sido la siguiente: • US Department of Energy, Council for Renewable Energy Education y Worldwatch Institute • Manual de “Energía eólica” de IMF - CEU, 2008
Y los siguientes enlaces Web:
• • • • • • • • • • • • • • • • • • http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radmonth.php? lang=es&map=europe http://sharp.eu http://aemaenergia.es http://www.SMA-Iberica.com http://es.wikipedia.org http://www.wind-energy-market.com http://energia-renovables.com http://instalacionenergiasolar.com http://www.cecu.es http://noticias.juridicas.com http://guidedtour.windpower.org http://www.ecologiaverde.com/la-energia-eolica-es-el-futuro/ http://www.globalwindmap.com.VisorCENER/ http://www.talentfactory.dk/es/tour/wres/calculat.htm http://www.bibliocad.com http://www.atlascajamarca.info/conversor/ http://toolserver.org centros3.pntic.mec.es 10 9
http://www.agenciaandaluzadelaenerrgia.es www.soloingenieria.net http://www.meteoelcasar.es/datoshistor.htm
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