LA SOSTENIBILIDAD AMBIENTAL DE LA ENERGÍA EÓLICA: UN ANÁLISIS DE EMERGÍA DE UN PARQUE EÓLICO DE CHINA

P. Yang, GQ Chen, S. Liao, YH Zhao, HW Peng, HP Chen

La historia del artículoRecibido 25 de julio 2012Recibido en forma revisada el 20 de abril 2013Aceptado 23 de abril 2013Disponible en línea 23 de mayo 2013Palabras clave:Granja eólica, Análisis de emergía, Sostenibilidad

Resumen

Después de una década de asombroso crecimiento de la capacidad de energía eólica en todo el mundo, la utilización sostenible de viento los recursos energéticos se ha convertido en un asunto de suma importancia. Para una evaluación completa de la índices de sostenibilidad ambiental de una energía eólica, diagrama básico de flujo de emergía son presentado en este documento para agregar diversos recursos locales renovables / no renovables y comprar insumos económicos asociados con un sistema de energía eólica, con el ejemplo concreto de un estudio de caso de un parque eólico moderno Guand, China. Se puso de manifiesto que el transformidad solar de electricidad eólica es la más baja entre las tecnologías típicas de generación de electricidad. Los índices basado en la emergía se calculan a proporcionar información integrada del parque eólico investigado desde el punto de vista ecológico.

La comparación entre los resultados con los datos existentes para otros sistemas de energía renovable refleja las ventajas sustanciales de la tecnología de la energía eólica sobre las tecnologías eléctricas y fotovoltaicas de energía solar térmica en términos de sostenibilidad y el coste ecológico. Sin embargo, los combustibles derivados de la biomasa, especialmente el biogás por digestión anaeróbica, muestran un mejor comportamiento ecológico y la sostenibilidad ambiental de viento y las tecnologías solares. Además, el potencial de mejoras de parque eólico chino se identifica por el esfuerzo de optimización en el trabajo humano, el uso del suelo y tratamiento de residuos.Crown Copyright y 2013 Publicado por Elsevier Ltd. Todos los derechos reservados.Contenido

1. Introducción ........................................................................................................2302. Materiales y métodos ..........................................................................................231

2.1. Análisis de emergía.......................................................................................2312.2. Procedimiento de evaluación de emergía......................................................2312.3. Índices basados en emergía...........................................................................2322.4. La descripción del parque eólico caso..........................................................232

3. Resultados............................................................................................................2333.1. Emergía de la planta de energía eólica..........................................................2333.2. Índices de emergía de la planta.....................................................................234

4. Discusión .............................................................................................................2344.1. Comparación Transformidad entre diversos sistemas de producción de electricidad 2344.2. La comparación de los índices de emergía para sistemas de energía renovable 2354.3. Mano de obra y servicios humanos ..............................................................2354.4. Tratamiento de desechos ..............................................................................236

5. Observaciones finales..........................................................................................236 6. Expresiones de gratitud........................................................................................236

7. Apéndice .............................................................................................................236 8. Referencias...........................................................................................................237

1. Introducción Debido a las crecientes preocupaciones sobre la demanda de energía en alza y el cambio climático, el mundo está prestando mucha más atención a futuro energético sostenible. La energía renovable puede servir como una alternativa factible y ambientalmente responsables para reducir la dependencia de los combustibles fósiles, mejorar la flexibilidad del suministro eléctrico local, y proporcionar un enorme potencial para la mitigación del cambio climático [1]. La de transición a las energías renovables por los combustibles fósiles en la matriz energética mundial está ocurriendo rápidamente sin precedentes. De acuerdo con la Internacional Agencia de Energía [2], El uso de las energías renovables se triplicará entre 2008 y 2035, con una participación en el suministro de electricidad pasando de 19% a 32%. En comparación con otros recursos renovables, la energía eólica tiene madurez alcanzada de integrar comercialmente en la energía mercado. Tasa de crecimiento anual de la potencia eólica acumulada tiene un promedio de 30% en la última década, con lo que la capacidad instalada mundial a 197 GW a finales de 2010 [3] . En 2011, la se establece que la potencia eólica en todo el mundo alcanza un nuevo récord de 42 GW, la más grande entre todos tecnologías renovables [3].

China, en su camino de la industrialización y la urbanización, supero a los Estados Unidos de ser el más grande del mundo consumidor de energía [4], principalmente dependiente del carbón, que es un elemento clave para la escalada el deterioro del medio ambiente, tales como el efecto invernadero, la lluvia ácida, la contaminación del aire, etc. Para hacer frente a los desafíos tanto de medio ambiente y el suministro de energía, China se comprometió a cultivar una economía más verde haciendo hincapié en la eficiencia energética y la diversificación de la energía estructura de la oferta por las energías renovables. En su 12° Plan, el gobierno chino se ha comprometido a aumentar la proporción de combustibles no fósiles a 15% del consumo de energía primaria y reducir las emisiones de dióxido de carbono por unidad de PIB por 40-45% de la Nivel de 2005-2020 [5]. En este contexto, la energía eólica ha demostrado ser una de las soluciones más atractivas para cumplir con el objetivo de China de desarrollo sostenible. La capacidad explotable total de tierra adentro y la energía eólica marina en China es de aproximadamente 700 a 1.200 GW (a una altura de 10 m), según la Administración Meteorológica de China [6]. Durante el 12°Plan (PQ), el gobierno chino ha emitido una serie de políticas para promover el desarrollo de viento industria de la energía, incluyendo el apoyo a la localización de la energía eólica equipos, estableciendo institución obligatoria de la energía eólica acceso a la red, la formulación de objetivos obligatorios de energía eólica cuotas y proporcionar subvenciones y apoyo impuestos [7, 8]. Hace poco, China se convirtió en mercado de energía eólica más grande del mundo, alcanzando un total de 42,3 GW en 2010, con su capacidad instalada se duplica cada año entre 2006 y 2009. Sin embargo, la energía eólica en un tiempo de crecimiento rápido también ha expuesto muchos problemas en la economía, tecnologías y políticas. Con el fin de garantizar un futuro sostenible, es muy importante llevar a cabo un sistema integral lo que representa la energía eólica, especialmente mientras la energía eólica en China no tiene costo competitivo para la energía térmica a base de carbón para el de momento.

Amplios estudios sobre la evaluación de diversas fuentes renovables de energía y los sistemas industriales en China se han realizado cabo [8 - 14]. Los estudios anteriores se centraron en el consumo neto de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero asociados de la energía eólica sistema usando la evaluación del ciclo de vida (ACV) 115 a 231. [15 - 23]. El ACV es una técnica que se usa para evaluar los impactos ambientales a lo largo de la totalidad ciclo de vida de un producto o sistema. Pero los estudios anteriores, lo que indica un retorno de energía considerablemente favorable y la mitigación de GEI, tienen ciertas limitaciones en la evaluación del comportamiento medioambiental general de las turbinas de viento.

Ninguno de estos estudios tuvo en cuenta el uso de los recursos debido a la mano de obra humana y el trabajo ambiental.

En particular, los posibles impactos ambientales, sociales y económicos de la energía eólica, aunque en la actualidad siendo controvertido y objeto de debate, no deben ser ignorados [24]. Desarrollar bien tales sistema de energía eólica consciente requiere un análisis más integral, ya que sus potenciales impactos negativos serán amplificados rápidamente como la energía eólica sigue los tamaños de expansión y de turbinas aparentemente sin trabas hacen más grandes en el futuro cercano. Es imprescindible para analizar la sostenibilidad de las turbinas de viento exhaustivamente.

"Sostenibilidad" se deriva de la "sustinere" América, para lo cual Diccionario proporcionó más de diez significados, con las principales son "mantener", "apoyo" o "soportar" [25]. Como resultado, la "sostenibilidad" se explica como "la capacidad de soportar" en un diccionario de [26]. La definición de sostenibilidad es ampliamente citado como parte del concepto de "desarrollo sostenible", que se define por la Comisión Brundtland de las Naciones Unidas en 1987 como "el desarrollo que satisface las necesidades de la presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades "[27]. Sin embargo, la realidad de esta definición de desarrollo sostenible en la biosfera total, como un compromiso de las diferentes voluntades políticas se examina críticamente por Svirezhev y Svirejeva Hopkins [28]. En la evaluación de la sostenibilidad de un sistema, hay por lo menos tres aspectos que deben tenerse en cuenta [29 y 30]: coste económico que determina la operación de inversión y mantenimiento de la eficiencia del sistema, de entrada / salida que es esencial para la asignación de recursos escasos, y el "costo ecológico" (en primer lugar, se define como "el consumo total de la exergía de los recursos naturales en todos los procesos relativos que llevan al producto determinado" por Szargut [31] de la restauración que es importante para evaluar la interacción entre la biosfera y la sociedad. No existe un método de evaluación generalmente aceptado para evaluar la sostenibilidad. Sin embargo, estos métodos antes mencionados tienen sus propias ventajas que nos proporcionan con una visión integrada de la sostenibilidad de un sistema desde diferentes perspectivas.

En este contexto, los conceptos termodinámicos y modelos en economía ecológica pueden identificar las limitaciones y carencias de las fuerzas motrices finales [32] pertinentes y hacer puentes entre la energía, la economía y el medio ambiente, por lo tanto, pueden ser considerados como instrumentos adecuados para describir la sostenibilidad de un sistema de producción complicada [33]. Como uno de los métodos más prometedores de la economía ecológica, el análisis de emergía primero introducida por Howard Odum en los sistemas de la ecología 1341, se puede utilizar para evaluar la relación integrada entre el sistema de la economía y de su entorno.Para ello, el análisis de emergía puede servir como un enfoque válido y complementaria para determinar la sostenibilidad ambiental de las tecnologías renovables [30,35-41]. Emergía se define como la suma de la energía disponible se consume en transformaciones directa e indirectamente para hacer un producto o servicio [42]. La energía solar es considerada como la principal fuente de energía que impulsa a tierras de diversos sistemas ecológicos y económicos. Mediante la conversión de todas las formas de energía, recursos y servicios humanos en una común base de Joules solares (abreviado seJ), las principales aportaciones de la economía humana y la contribución de los ecosistemas pueden ser integrada para analizar las actuaciones ambientales y para apoyar las recomendaciones de política. Los flujos de emergía un sistema de conducción se clasifican por características diferentes, es decir, los recursos renovables y no renovables, disponibles a nivel local frente a la compra de insumos desde afuera. Un conjunto de índices de emergía se puede utilizar para evaluar la sostenibilidad y la eficiencia termodinámica de todo el sistema, así como sus interacciones con el entorno externo. el general conceptos, principios y metodologías de análisis de emergía, así como los índices basados en emergía, se han desarrollado extensamente y intensamente ilustrado (por ejemplo, Odum [42], y desarrollado por Brown y Ulgiati [43] , Jorgensen [44] , Bakshi [45], y Chen [46]).

Recientemente, el método de emergía ha sido ampliamente utilizado para evaluar sistemas económicos ecológicos, con extensas literaturas que aparecieron en la evaluación de diversos sectores incluyendo la industria (por ejemplo, [47 - 51]), la construcción (por ejemplo, [52 - 59 ]), los sistemas agrícolas (por ejemplo, [38 , 39 , 60 - 77]), y sistemas híbridos (por ejemplo, [29 , 30 , 78 , 79 ]) con diferentes escalas como escalas regional (por ejemplo, [47, 77 , 80 - 87]), escalas nacionales (por ejemplo, [62 , 88 - 91 ]) y escalas globales (por ejemplo, [42, 92, 93]). En cuanto a los análisis de emergía de las tecnologías de energías renovables, la mayoría de estudios se centraron en la evaluación de la biomasa derivada de combustibles [38, 39, 67, 75, 95 - 98 ], mientras que pocos estudios sobre otra generación de energía renovable. Zhang et al. [99] evaluó el rendimiento de una concentración de un sistema de energía solar (CSP) mediante un análisis de energía incorporada y emergía. Paoli et al. [100] realizó un análisis de emergía para comparar la sostenibilidad y la eficiencia de dos tecnologías solares. Los resultados mostraron que la planta de energía solar térmica es más sostenible que la fotovoltaica (PV) uno, debido a la alta dependencia de la energía fotovoltaica en el exterior e importado recursos. Más recientemente, Brown et al. [101] discutió una marco común coherente tanto con LCA y síntesis de emergía para el cálculo de los indicadores de desempeño. Dos estudios de casos, a saber, CdTe PV sistema y la central de gasoil, fueron investigados mediante una definición operativa revisada de la relación rendimiento emergía (EYR). A pesar de eso, estudios dirigidos a la evaluación de los parques eólicos modernos basados en emergía aún se carece en la literatura abierta.Este trabajo pretende llenar el vacío mediante el uso de análisis de emergía a evaluar el rendimiento y la sostenibilidad ambiental de un parque eólico típico de la provincia de Guangxi, China. Y el índices de emergía incluyendo transformidad, tanto por ciento renovable, relación rendimiento de emergía, relación de carga del medio ambiente y la sostenibilidad emergía índice se compararon con otros sistemas de producción de energía a arrojar una idea de la extraordinaria sostenibilidad ambiental de tecnología de la energía eólica. Los resultados del análisis de emergía pueden servir como indicadores ecológicos para el desempeño ambiental de parques eólicos y plomo a las recomendaciones de política para más viento desarrollo de la energía en China.

2. Materiales y métodos2.1. Análisis de emergíaEl Análisis de emergía es un método de contabilidad ambiental a ilustrar la posición relativa de los diferentes portadores de energía en el jerarquía termodinámico de la biosfera. Este enfoque ecocéntrico centrado mide todos los insumos necesarios para sostener una proceso sobre una base común como emergía solar. De esta manera, diferentes tipos de productos, servicios y trabajos ambientales pueden ser cuantificados por medio de una relación de transformación llamada transformidad para representar la eficiencia de conversión de un sistema en la jerarquía mundial de la energía [102] . Se define como "la emergía de un tipo necesaria para hacer una unidad de energía de otro tipo "[42] con la unidad de Joules solares por julios (abreviado seJ / J). Por lo tanto, el total de emergía de cualquier producto o servicio se puede calcular multiplicando su importe prima por su transformidad.Las transformidades solares para una amplia variedad de bienes y servicios pueden obtenerse a partir de estudios previos para facilitar el análisis de emergía. Sin embargo, la transformidad de un objeto dado de la misma categoría, puede tener valores diferentes debido a la ubicación geográfica específica y proceso de producción. En este trabajo, las transformidades de materiales y recursos asociados con el parque eólico investigado son principalmente adoptadas de Zhou [103], como el primer esfuerzo en la encarnada ecológica en los elementos de contabilidad de la economía nacional de China, mediante la combinación del análisis entrada-salida con la termodinámica ecológica. Esta base de datos de manera eficaz puede evitar elegir transformidades dispersas e inapropiadas, y así garantizar la exactitud de emergía en el análisis en este estudio.

2.2. Procedimiento de evaluación de emergíaEl procedimiento de evaluación de emergía del parque eólico consiste en seguir estos pasos. En primer lugar, la evaluación comienza con la diagramación d una visión general para identificar las fuentes y vías de las redes interactivas de una sistema. Los diagramas se construyen de lenguaje especial de emergía inventado por Odum [34] . Un diagrama de sistemas de emergía del viento de la planta de energía se muestra en la Fig. 1 . Desde un sistema de parques eólicos contiene tanto los ecosistemas naturales y la ingeniería artificial como obras asociadas con insumos de energía y de recursos renovables y no renovables, todo esto de energía y materiales pueden ser clasificados y agregados, como se muestra en la Fig. 2. El segundo paso es establecer una evaluación emergía tabla que enumera todos los elementos y datos a tener en cuenta en el sistema.Los artículos incluyen no sólo el material inicial y la inversión de capital para la construcción de la planta y las entradas continuas de operación y mantenimiento, sino también a factores no vinculados como trabajo humano y servicios. Diferentes unidades de los flujos reales de la tabla se multiplican por las transformidades correspondientes para convertirlos en solar emergía. El último paso es calcular los índices de emergía en función de la tabla de evaluación. Estos índices han demostrado ser especialmente útil para promover un modelo sostenible para dominado por humanos sistemas, donde muchos factores que influyen son ajustables y opciones tienen que ser hecha con cautela [104] .

Fig. 1. Diagrama de emergía de los sistemas de la planta de energía eólica.

Fig. 2. Diagrama de flujo de emergía agregado del sistema de energía eólica.

2.3. Índices basados en emergíaTodas las entradas del sistema son generalmente clasificados en tres tipos: recursos locales renovables (R), como la luz del sol, el viento y la lluvia;  recursos locales no renovables (N) se refiere a los disponibles en limitada cantidad dentro de los límites del sistema, tales como la erosión del suelo y subterráneas agua, etc.; entrada comprada (F) incluye a aquellos comprados por la economía, como la electricidad, la maquinaria y la mano de obra humana, etc. Como es se muestra en la  Fig. 2 , el grupo F a veces se divide en entrada renovable comprado (FR) y en entrada no renovable comprado (FN). El uso total de emergía (U) es igual a la suma de las entradas de emergía (N + R + F), que determina el costo total de emergía conducir el sistema.Sobre la base de las anteriores características de los flujos de emergía, se propusieron índices basados para investigar la eficacia y la sostenibilidad de los diferentes sistemas [104 , 105].(1) Porcentaje renovable (PR) = R/U es el porcentaje de aportaciones de emergía de recursos renovables. Un sistema que utiliza mayor fracción de los recursos renovables se considera más sostenible en el largo plazo.(2) Relación de rendimiento de emergía (EYR) = U/F mide la eficiencia de un proceso utilizando insumos adquiridos para explotar los recursos locales. Mientras más alto es el EYR, mayor será la contribución a la economía por unidad de emergía invertido.(3) Relación de carga ambiental (ELR) = (N + F)/R, que es la relación de recursos no renovables comprados y las entradas de emergía renovables locales. Indica el potencial de impacto ambiental en el ecosistema y el estrés debido al proceso de transformación.(4) Tasa de inversión emergía (EIR) = F/(I + N) es la proporción de inversión desde fuera del sistema a los recursos locales. EIR evalúa si el sistema es un usuario económica de emergía en comparación con otras alternativas. El sistema con una relación más baja tiene más posibilidades de prosperar en el mercado.(5) Índice de sostenibilidad emergía (ESI) = EYR/ELR. Mide el potencial de contribución de un proceso por unidad de medio ambiente cargando. Este índice refleja la sostenibilidad general de un proceso de producción, lo que representa una compatibilidad lógica tanto económica como ecológica.

2.4. La descripción del parque eólicoEl parque eólico se encuentra en el Darong Mountain Resort (110°11'26"E-10°15'23"E, 22°51'36"N-22°52'49"N) en la ciudad de Yulin, Guangxi Región Autónoma Zhuang de Nacionalidad, China. Características principales del parque eólico se presentan en la Tabla 1. Se compone de 24 turbinas

de viento cada una con una capacidad de generación de 1,25 MW, una altura de buje de 68 m y un diámetro de la hoja de 64 m (altura total de 100 m). El conjunto de turbinas, con un peso de aproximadamente 156,8 t, se compone de tres elementos: rotores, góndola, y la torre. La góndola se sienta encima de la torre y alberga el generador, caja de cambios, eje principal, y el sistema de orientación, etc. El rotor está atornillado a la góndola y se compone de tres cuchillas, el cubo y el cono de la nariz. Cada hoja tiene 31 m de largo, pesa 3,6 toneladas y está hecho de fibra de vidrio y material de resina. Se asume que la torre es 100% acero. Cada torre de turbina eólica está conectado a un tipo de caja transformadora de 35 kW. La torre está instalada en un lugar plano y anclada con un fundación, que consiste en rellenar un agujero profundo 3,3 m con algunos hormigón reforzado por acero. Todos los datos y especificaciones de detalladas este parque se proporcionan por el desarrollador, China Huadian Corporación 

Tabla 2. Análisis de emergía del parque eólico Yulin durante 20 años de vida. a

Nota Clasificación Elemento MaterialesCantidad

brutaUnida

d

Transformidad solar

(seJ/unidad)

Emergía solar (seJ)

Recursos Totales

1 100%R Viento (Energía Cinética) 6.67E+14 J 2.45E+03 1.63E+18

2 100%R Pérdidas de tierras b 3.69E+03 m2/año 8.00E+10 5.90E+15

Turbinas de viento

3 100%FN RotorResina y fibra

de vidrioHierro fundido

2.64E+02

1.90E+02

T

T

8.07E+15

3.23E+15

2.13E+18

6.12E+17

4 100%FN Góndola

HierroAceroSíliceCobre

Resina y fibra de vidrio

4.82E+025.64E+029.60+00

9.12E+015.28E+01

TTTTT

3.23E+153.23E+155.05E+151.01 E+168.07E+15

1.56E+181.82E+184.85E+169.21E+174.26E+17

5 100%FN Torre Acero 2.11E+03 T 3.23E+ 15 6.81E+18

Subestación

6 100%FN TransformadorSíliceAceroCobre

6.00E+01108E+014.80E+00

ttt

5.05E+153.23E+151.01E+16

3.03E+153.49E+164.85E+16

7 100%FN Sistema de control Computadora 5.00E+00 5.77E+14 2.89E+15

Transporte

8 100%FNCombustible para el

transporte c Diesel 1.58E+02 t 1.41E+15 2.23E+17

Trabajos de construcción d

9 100%FN Cimientos de la torreConcreto

Barra de acero8.33E+ 039.92E+02

m3

t3.03E+ 144.82E+15

2.53E+184.78E+18

10 100%FN SubestaciónConcreto

Barra de acero1.64E+027.90E+00

m3

t3.03E+144.82E+15

4.97E+163.81E+16

11 100%FN CableCobre y plástico

9.37 E+01 t 8.11E+15 7.60E+17

12 20%FR80%FN Fuente de alimentación Electricidad 6.48E+11 J 3.14E+05 2.03E+ 17

13 100%FN Suministro de aguaAgua del reservorio

2.70E+ 04 t 9.75E +09 2.63E+14

Operación y mantenimiento

14 100%FN Aceite de la máquina Lubricante 2.95E+01 t 1.55E+15 4.57E+16

15 100%FN Suministro de aguaAgua de la

llave2.55E+ 04 t

4.65E+111.1 9E+16

16 100%FN Sustitución de la láminaResina y fibra

de vidrio8.64E+ 01 t 8.07E+15 6.97E+17

17 100%FNSustitución del generador

e

SilicioCobreAcero

7.20E-017.92E+001.66E+01

ttt

5.05E+151.01E+163.23E+15

3.64E+158.00E+165.35E+16

Labor y servicios f

1826%

SR,74%SN

Trabajo para la operación y mantenimiento

3.29E+06 $5.87E+12

1.93E+19

19 26%SR74%SNMano de obra de la

construcción5.05E+06 $

5.87E+12 2.96E+19

20 26%SR74%SNCosto de la ocupación del

suelo1.29E+06 $ 5.87E+12 7.57E+18

Producción de electricidad

21 Rendimiento de por vida Electricidad 4.71E+15 J 8.21E+19

Total de emergía usada seJ

Transformidad de electricidad eólica 1.74E+04 seJ/Ja Los datos para el parque eólico fueron proporcionados por el desarrollador. Todos los valores de transformidad utilizados en este estudio son en relación con la última línea de base de emergía (emergía total de conducción de la biosfera: 15.83 x 10 24 seJ). Las fórmulas de cálculo se presentan en detalle en el Apéndice A. / año.b Sólo una pequeña área de los cimientos de las turbinas se considera perdida y quitada de la producción. La pérdida de la tierra se ha incorporado para tener en cuenta los costos de oportunidad asociados con la pérdida de producción. La vegetación cercana se asume como no afectada.c Los componentes principales fueron transportados en primer lugar desde el fabricante hasta la ciudad de Yulin en la carretera por vehículos diesel, y luego desde la ciudad de Yulin a Darong Montaña, una distancia de 40 km. Las actividades de transporte relacionadas con el mantenimiento regular de las turbinas de viento fueron ignoradas debido a los datos no disponibles.d La construcción de las obras de incluyeron principalmente la construcción de los cimientos de la torre y de la subestación. Los cimientos de la torre se realizaron en el sitio.e Durante la vida útil media de una turbina de viento, este se supone en sustituir una cuchilla y 15% de componente de generadores.f Los trabajos solo incluyen aquellos directamente asociados con la construcción de la planta, operación y mantenimiento.

El recurso eólico en esta granja se evaluó utilizando el software WAsP, desarrollado por el Laboratorio Nacional de Risø, Dinamarca. Los resultados mostraron que la velocidad del viento media anual es de 7,26 m/s, y la densidad de potencia media del viento es 248.73W/m² a la altura del centro de operaciones en Darong Mountain. La velocidad del viento de trabajo (3,0 m/s - 20 m/s) se estimó que era 8269 h por año. Sobre la base de la curva de potencia característica y datos de viento por hora de la ubicación, la energía bruta anual producida por el parque eólico se calcula que es 6.54E+07 kWh. Así, la energía eléctrica conectada a la red anual para cada turbina será 2.73E+06 kWh con una disponibilidad de 2.179,5 h/año en promedio.

3. RESULTADOS.

3.1. Emergía de la planta de energía eólica

Un diagrama de emergía refiriéndose a la planta de energía eólica se muestra en la Fig. 1. Las líneas discontinuas muestran el flujo de dinero de la venta de la electricidad y el flujo de dinero para la compra de bienes y Servicios. Con base en el diagrama, emergía detallada flujos de conducir todo el sistema se presentan en la Tabla 2. La tabla de evaluación incorpora diferentes categorías de recursos, el trabajo humano y la inversión económica suministrada por el parque eólico que se trate. La emergía solar de cada IREM se obtiene multiplicando la cantidad prima por su transformidad.

El uso total de emergía (U) del parque eólico durante 20 años curso de la vida se resume a ser 8.21E+19 seJ. Como se describe en la Sección 2.4, producción bruta de electricidad del parque eólico se calcula que es 4.71E+15 J. Por lo tanto, transformidad de la electricidad producida por el viento es igual a 1.74E+04 seJ/J, lo que indica que la energía eólica requiere de 1.74E+04 seJ de emergía solar para generar 1J de la electricidad. La mayor entrada de emergía pueden atribuirse a la mano de obra y los servicios, con el trabajo de operación y mantenimiento, la construcción de mano de obra y el costo de ocupación de tierras, ocupando casi el 70% del total de entrada emergía (ver Fig. 3 ). Entrada total comprada (F) es de 6.57E + 19 seJ. En cuanto a materiales para instalar y mantener la planta de energía eólica, el viento turbinas (17,47%) y las obras de construcción (10,19%) son las dos más grandes contribuyentes a los insumos de emergía. El inventario de los recursos adquiridos mostró que el acero desempeña un papel significativo en la determinación de la emergía costo del parque eólico, que representan el 13,90% del uso total de emergía. Entrada emergía renovable (R+FR+SR) alcanza un total de 1.64E + 19 seJ. Como el único recurso no renovable local (N), la pérdida de la tierra tomada por fundaciones de turbinas es una cantidad insignificante de 5.90E+15 seJ.

Figura 3. Fracciones de los aportes emergéticos para el parque eólico chino.

Figura 4. Comparación de las transformidades del parque eólico con otros sistemas de producción de electricidad.

3.2. Índices de emergía Planta

Índices de emergía de la planta de energía eólica se enumeran en la Tabla 3. Estos índices muestran un relativo buen desempeño de la sostenibilidad para la energía eólica. Que se discutirá más adelante en la Sección 4. El porcentaje renovable (PR) es 0,20 para la energía eólica. La entrada de energía de los vientos de energía cinética para las cantidades de generación de electricidad a 1.63E ÷ 18 sej durante 20 años la vida útil (véase Tabla 2). Fracción renovable adicional comprende agua natural y una parte sustancial de fuera del sistema, sobre todo en forma de mano de obra y servicios. Se utilizó agua de un embalse cercano para obras de construcción en un período de construcción de tres meses y toque la producción de agua para la operación y mantenimiento de la planta. Como una práctica común en el análisis de energía, mano de obra y los servicios se dividen en renovables (SR) y (SN) fracciones no renovables. En China, el trabajo y los servicios se consideran 26% renovable, de acuerdo con el porcentaje de las energías renovables (incluyendo energía de la biomasa tradicional) la conducción del sistema económico chino.

4. DISCUSIÓN

4.1. Comparación Transformidad entre varios artículos de la electricidad sistemas

Transformidad es un parámetro muy importante, que se puede utilizar para medir la eficiencia global de los sistemas de producción desde el punto de vista de la biosfera. Aquellos con mayores transformidades. Pedir emergía para generar la misma cantidad de producto. Transformidad de electricidad a partir de parque eólico moderno es mucho más bajo que otros sistemas de producción típica de electricidad (ver Fig. 4). Se reveló que transformidad energía eólica tiene un valor mucho menor que el de una planta CSP (6.39E + 04 sei li) en China. Se puede explicar por la gran diferencia de capacidad de producción entre un parque eólico de 30 MW y un 1,5 MW (planta de SP, mientras que los dos son tecnologías renovables eficientes y tienen un gran potencial para sustituir a los combustibles fósiles en el futuro. Según Paoli et al., el transformidad de la electricidad fotovoltaica (8.92E + 04 sej / J) es aproximadamente cinco veces mayor que la de la electricidad generada por el viento. Esto indica que la energía eólica es mucho más eficiente y requiere menos entrada emergía del medio ambiente y la sociedad que fotovoltaica. Una gran transformidad para PV se puede atribuir a la complejidad y el alto consumo de energía de la producción de obleas de silicio cristalino, como así como sus mayores costos de diseño de la planta y el mantenimiento. En comparación, la planta de energía a carbón tiene el mayor transformidad (1.71E + 05 seJ/J) y hasta hidroelectricidad transformidad similar con CSP, ya estudiado por Brown y Ulgiati. De hecho, el transformidad de electricidad a partir de energía eólica también ha sido reportado como 6.21E + 04 seJ / J en su estudio sobre cinco aerogeneradores italiana 500 kW construido en 1996. El valor actual de transformidad energía eólica (1.74E + 04 sej/J) demuestra el notable tecnológica progreso y rendimiento sostenible de moderno parque eólico a gran escala durante la última década.

4.2. La comparación de los índices de emergía para sistemas de energía renovable

Con el fin de evaluar el rendimiento relativo y sostenibilidad de la energía eólica, los índices resultantes se comparan con térmicas y fotovoltaicas plantas solares [100] y varios portadores de energía que no sean eléctricos de biomasa [36, 38,40, 95, 99, 100, 108, 111, 112]. Esos estudios han adoptado los supuestos similares y métodos estándar para la realización de análisis de emergía. Así que la comparación de los coeficientes e índices de emergía puede proporcionar efectivamente una idea de su sostenibilidad individual.

Los índices basados en la energía de los sistemas de energía renovable se enumeran en la Tabla 4. La energía eólica tiene una banda más alta PR (0.20) que la energía solar térmica (0,15) y fotovoltaica (0,02), lo que indica un mejor nivel de renovabilidad. RP de la producción de energía de biomasa son aún mayores en promedio debido a su menor dependencia de apoyo a la energía renovable no de la sociedad humana. La relación rendimiento emergía (EYR) es 1.25 energía eólica, en el nivel medio de las de los sistemas de producción de electricidad tradicionales (1,06-1,51) [113], lo que demuestra que el parque eólico es

relativamente eficiente en el aprovechamiento de los recursos locales para proporcionar un beneficio neto a la sociedad. La relación de carga ambiental (ELR) mide el potencial impacto ambiental de un sistema, ayudando así EYR para dar una evaluación completa. ELR de planta fotovoltaica (48,93) es mucho mayor que el de la energía eólica (4,00), la planta solar térmica (5,54) y los sistemas de producción de biocombustibles (0,52-7,84). Se puede inferir que la energía eólica, en comparación con el PV, con menos estrés ambiental para generar la misma cantidad de electricidad. El rendimiento sostenible de los parques eólicos se verifica además por poseer una ESI más alta (0,31), que es una medida agregada por EYR y ELR para explicar tanto la compatibilidad económica y ecológica. También es la principal ventaja de la energía eólica sobre las tecnologías solares para tener un gran rendimiento emergía por unidad de carga .Como ambientales vistos de los índices de emergía en Tabla 4, combustibles derivados de la biomasa, especialmente el biogás por digestión anaeróbica, muestran un mejor comportamiento ecológico y la sostenibilidad ambiental de las tecnologías eólica y solar.

Se puede señalar que la tasa de inversión de emergía (RIE) tiene aproximadamente el mismo valor con ELR para el viento, los sistemas de producción de energía solar y biodiésel. La razón es que estos sistemas tienen una utilización insignificante de recursos no renovables locales (N), que se pueden derivar de las respectivas fórmulas de cálculo en Tabla 3.

Tabla 3. Índices basados en emergía para el parque eólico investigado.

Índice Cálculo Energía eólicaPorcentaje renovables (PR) (R+FR+SR)/U 0.20Relación rendimiento emergía (EYR) U/(FN+SN) 1.25Relación de carga ambiental (ELR) (N+FN+SN)/(R+FR+SR) 4.00Coeficiente de inversión emergía (RIE) (FN+SN)/(R+FR+SR+N) 4.00Índice de sostenibilidad emergía (ESI) EYR/ELR 0.31

Al comparar las diferentes categorías de los sistemas por parte de los índices basados en la energía, hay ciertas limitaciones en la que ilustra la variación numérica. De hecho, la variación está intrínsecamente arraigado en sus reacciones características de entrada de energía y diferente consideración de cada sistema. Esta alta enciende la necesidad de una perspectiva más amplia para evaluar la sostenibilidad relativa de los diferentes sistemas de producción. Sin embargo, para el mismo tipo de sistema de producción, discrepancia de índices de emergía también se puede encontrar en la literatura. Por ejemplo, los índices de emergía para el bioetanol y el biodiesel de producción, que se enumeran en la Tabla 4, muestran cierta variación. Esto se atribuye principalmente a las diferencias de materia prima, la eficiencia productiva y el proceso tecnológico respectiva considerados en el análisis de emergía. Mientras tanto, la fracción renovable de mano de obra y los servicios (SR) cambia con la participación de las energías renovables que impulsan el sistema económico en un lugar diferente y período de tiempo, lo que afecta directamente a los índices de emergía del sistema investigado. Con el fin de llegar a un resultado comparable, consistencia debe garantizarse estrictamente durante la aplicación del análisis de emergía.

4.3. El trabajo humano y los servicios

Aunque generalmente descuidado en el análisis de la energía tradicional, el trabajo y los servicios son entradas importantes del sistema en método basado en emergía. Como se muestra en la Fig. 3, el trabajo humano para la construcción de la planta, operación y mantenimiento representa una gran parte del uso total de emergía (59,65%). Por lo tanto, la emergía eólica altamente basa en las aportaciones de emergía de los servicios humanos, lo que refleja la necesidad de simplificar y optimizar el proceso para hacerlo más rentable. Por otro lado, la industria eólica ofrece considerables oportunidades de empleo en las diferentes fases de desarrollo de parques eólicos, como la fabricación de la turbina, la construcción de la planta,

operación y mantenimiento, así como el empleo indirecto. Según el Consejo Mundial de Energía Eólica, el mercado anual de energía eólica creará 13 puestos de trabajo por cada megavatio de nueva capacidad en ese año, empleando a 524.000 personas en el sector de la energía eólica en 2020 [110]. Como la energía eólica continúa su expansión en China, que tiene un gran potencial para estimular el crecimiento económico y emplear mano de obra excedente, sobre todo en las zonas rurales.

Tabla 4. La comparación de los índices de emergía para sistemas de energía renovable

ÍtemReferenci

aPublicad

o añoPR

EYR

ELR

EIR ESI

Vientoen este estudio

0.20 1.25 4.00 4.00 0.31

Solar térmica [99] 2011 0.15 1.19 5.54 5.540.21a

Fotovoltaica [100] 2008 0.02 1.0348.9

337.2

70.02a

refinería de biocombustibl

es[95] 2010

0.25a 1.05 3.02 0.95 0.35

bioetanol Trigo [38] 2008 0.20 1.24 4.05 2.38a 0.31Maíz [38] 2008 0.11 1.14 7.84 5.36a 0.15

Caña de azúcar

[108] 2010 0.31 1.57 2.23 1.44a 0.71

Mandioca

[40] 2011 0.28 1.07 2.55 2.47a 0.42

BiodieselAceite vegetal

[112] 2007 0.06 3.68 3.55 3.57 1.04

Haba de soja

[111] 2010 0.31 1.62 2.26 2.26a 0.72

Biogas [36] 2011 0.66 2.93 0.52 0.52a 5.67

La energía eólica exige una huella relativamente grande en la tierra para llegar a gran escala, con el costo de la ocupación del suelo ocupando una gran parte de la inversión de capital (9,23% del uso total de emergía). La tierra debe ser expropiada por el gobierno local para la instalación de infraestructura, uso de la tierra temporal durante la construcción y las carreteras de acceso. Pero aerogeneradores están generalmente separados 5-9 diámetros de rotor para maximizar el rendimiento. Con el fin de ahorrar costes y aumentar emergía todo el grado de sostenibilidad de uso regional de la tierra, el espacio entre las torres debe ser plenamente utilizado para otros fines compatibles, como la producción de alimentos y la vegetación ecológica.

Parte de la inversión de capital (9,23% del uso total de emergía). La tierra debe ser expropiada del gobierno local para la instalación de infraestructura, uso temporal de la tierra durante la construcción y las carreteras de acceso. Los aerogeneradores están generalmente espaciados, de 5 - 9 son los diámetros del rotor para maximizar el rendimiento. Con el fin de ahorrar costes y emergía y aumentar todo el grado de sostenibilidad de uso regional de la tierra, el espacio entre las torres debe ser plenamente utilizado para otros fines compatibles, tales como la producción de alimentos y ecológico vegetación.

4.4. Tratamiento de desechos

Una gran cantidad de instalaciones de parques eólicos se componen de materiales reciclables. Tratamiento de residuos es un método eficaz para reducir los efectos nocivos impactos ambientales después de desmontaje y eliminación de la planta. Los datos detallados relativos a la granja de viento Yulin están disponible actualmente. El reciclado de residuos de plantas se estima en base a un escenario representado en un trabajo anterior [11] .La emergía potencialmente reciclable de un parque eólico de China se calcula que es 6.69E + 18 seJ, que representan el 28% del total comprado de materiales. Una estrategia de gestión integral de residuos para el parque eólico se debe implementar para reducir el consumo de emergía y optimizar la eficiencia de los recursos en más de reciclaje. Cabe señalar que otros recursos se consumen durante el proceso de tratamiento de residuos. Por lo tanto, el papel de tratamiento de residuos en la mejora de la emergía integral y rendimiento de los parques eólicos aún necesita mayor consideración.

5. Conclusiones

Este trabajo se centró en el análisis de emergía del parque eólico moderno en China. En comparación con las métricas de energía incorporada, emergía. El análisis demuestra que es un enfoque válido para evaluar el ambiente sostenibilidad mental de los sistemas de producción humanos dominada. La emergía parece proporcionar una cobertura más adecuada de la dimensiones de la sostenibilidad, considerando diferentes formas de materiales, el apoyo del medio ambiente, el trabajo humano y económico servicios sobre una base común. El rendimiento excepcional y grado de sostenibilidad de la tecnología de la energía eólica fue confirmada por el calculado coeficientes e índices de emergía. La transformidad de electricidad del parque eólico es el más bajo entre los diversos procesos de generación de electricidad, lo que indica que tiene una mayor eficiencia termodinámica del punto de vista de la biosfera. Para evaluar el rendimiento relativo y sostenibilidad del sistema investigado, diferentes tipos de sistemas de energía renovable se compararon por varios índices basados en emergía, incluyendo relación rendimiento emergía, relación de carga ambiental, emergía sostenible índice de capacidad, etc. El resultado muestra que la energía eólica, en comparación con las tecnologías solares, tiene un mejor nivel de renovabilidad y es un usuario más eficiente y productivo de la inversión emergía con un menor impacto ambiental. Cuando se mide por emergía basada en índices, el rendimiento de la sostenibilidad de las energías renovables sistemas, desde un punto de vista ecológico, se clasifican de la siguiente manera: biomasa- derivada de combustibles > energía eólica > solar fototérmica y planta fotovoltaica. Como dos importantes contribuyentes a la emergía total del uso, el trabajo humano y el costo de la ocupación de tierras merecen especial atención en los futuros proyectos de parques eólicos.  Por otra parte, el ahorro emergía de tratamiento de residuos también ha sido estimado y necesita más consideración.

El presente estudio de análisis de emergía del parque eólico moderno, con marcos espaciales y temporales más amplios, puede ayudar en la integral planificación ambiental y la elaboración de políticas.  Dado la rápido expansión del mercado eólico en China, se recomienda darle gran importancia para el futuro desarrollo de la energía eólica para mejorar la sostenibilidad.

Apéndice1. Eólica (energía cinética)Área barrida por el rotor: 3,14 x (32 m)2 x 24 turbines= 7.72E + 04 m2

Velocidad del viento media: 7.22 m/s.Tiempo de trabajo anual: 8.269 h=2.98E + 06s.La densidad del aire: 1.3 kg/m3.Máxima eficiencia de la turbina de viento: 0.593 (límite de Betz).Energía de entrada =0.5x1.3kg/m3x7.72E+04m2 x (7.22m/s)3x 0.593x 2.98E + 06s/años x 20 años=6.67E + 14 J.

2. Pérdida de tierrasÁrea de la fundación de la torre: 3.14 x (7 m)2 x 24 turbines= 3.69E + 03 m2.Clase del terreno: pastos y ganado.Transformidad de pastos con ganado: 8.00E + 10 seJ /m2/año.Perdida terrestre total=8.00E + 10 seJ / m2/año x 3.69E + 03 m2x 20 años = 5.90E + 15 seJ.

3. RotorTres palas y cono de la nariz: 6.6 t de resina + 4.4 t de fibra de vidrio.Masa total de resina y fibra de vidrio = (6.6 t + 4.4 t) x 24Turbinas=26.4 t.Centro de la hoja: 7.9 t de hierro fundido.Masa total de hierro fundido = 7.9 t x 24 turbines=189.6 t.

4. GóndolaEstructura de cama: 11.4 t de hierro.Eje principal: 6.6 t de acero.Transformador: 0.2 t de sílice + 3.6 t de acero + 1.6 t de cobre.Generador: 0.2 t de sílice + 2.2 t de cobre + 4.6 t de acero.Caja de cambios: 8.7 t de hierro + 8.7 t de acero.Cubierta de la góndola: 1,3 t resina + 0.9 t de fibra de vidrio.Masa total de hierro = (11.4 t ++ 8,7 t) x 24 turbines = 482.4 t.Masa total de acero = (6.6 t + 3.6 t + 4.6 t + 8.7 t ) a las 24 turbinas= 564 t.Masa total de sílice = (0,2 t + 0,2 t) x 24 turbines = 9.6 t.Masa total de cobre = (1,6 t + 2,2 t) x 24 turbines = 91.2 t.Masa total de resina y fibra de vidrio = (1,3 t + 0,9 t) x 24Turbines = 52.8 t.

5. TorreMasa total de acero = 87.9 t x 24 turbines = 2109.6 t.

6. TransformadorTransformador: 0.6 t de sílice +10.8 t de acero +4.8 t de cobre.

7. Sistema de controlSistema de control: 5 ordenadores.

8. Combustible para el TransporteRotor y góndola (producido en Shanghai): 68,9 t x 24 turbinas x (2.185 kilómetros + 40 km) =3.68E + 06 t km.Transformador (fabricado en Nanjing): 16,2 t x (2103 kilómetros +40 kilómetros) = 3.47E + 04 t km.Barra de acero para la torre (comprado en la ciudad de Yulin): 87,9 t x 24 turbinas x 40 km = 8.44E + 04 t km.Intensidad Diésel: 0.05 L / (t km).Densidad de Diésel: 0.83 kg / L.Consumo total de diésel = (3.68E + 06 t km + 8.44E + 04 t km+ 3.47E + 04 t km) x 0,05 L / (t Km) a 0,83 kg / L=1.58E + 02 t.

9. Fundación TorreEl volumen total del hormigón: 347.23 m3 / torres x 24 turbinas= 8.333,6 m-3.Masa total de la barra de acero: 41.33 t / torre x 24 turbinas= 992,0 t.

10. SubestaciónSubestación: 163,8 m3 de hormigón + 7,9 t barra de acero.

11. CablePuesta a tierra del cable de parque eólico de la estación de refuerzo:18 kilómetros x 5076 kg / km.Línea aérea del parque eólico a la subestación de 23 kilómetros x 103 kg / km.Masa total de cable: 18 x 5076 kg + 23 x 103 kg = 93,74 t.

12. Fuente de alimentaciónEl consumo de electricidad: 2.000,0 kW h / día. Período de construcción: tres meses (90 días).El consumo total de electricidad ¼ 2.000,0 kW h / día - 90 días ¼ 6.48E + 11 J.

13. Suministro de aguaConsumo de agua: 300,0 t / día.Período de construcción: tres meses (90 días).El consumo total de agua ¼ 300,0 t / día - 90 días = 2.70E+04 t.

14. Aceite de la máquinaLubricante para torre: 37,9 kg / año / turbina x 20 años x 24 turbinas = 18,19 t.Lubricante para góndola: 11,4 kg / año / turbina x 20 años x 24 turbinas = 5,45 t.Lubricante para el transformador: 12,2 kg / año / turbina x 20 años x 24 turbinas = 5,87 t.Masa total de lubricante ¼ 18.19 t + 5,45 t + 5,87 t = 29,51 t.

15. Suministro de aguaAgua para la operación y mantenimiento: 3,5 t / día.El consumo total de agua ¼ 3,5 t / día x 365 días x 20 años = 25,55 t.

16. Sustitución de la láminaMisa de resina y fibra de vidrio ¼ 3,6 t / cuchilla x 24 turbinas = 86,4 t.

17. sustitución GeneradorRelación de sustitución: 0,15.Misa de sílice = 0,2 t / generador x 24 turbinas x 0,15 = 0,72 t. Masa de cobre de = 2,2 t / generador x 24 turbinas x 0.15= 7,92 t.Misa de acero de = 0,2 t / generador x 24 turbinas x 0,15=16,56 t.

18. Trabajo para la operación y mantenimientoPersonal fijo: 18 persona.Salario anual: 6.35E + 04 RMB / persona (9.14E + 03 $ / persona). (Tipo de cambio medio anual en 2008: 1 $ = 6,95 RMB). Costo total de personal permanente = 9.14E + 03$ / persona x 18 persona x 20 años = 3.29E + 06 $.

19. Mano de obra de la construcciónReconocimiento y diseño del parque eólico: 5.10E + 06 RMB (7.34E + 05 $).Construcción de la planta (Turbina de viento y la instalación de equipos afiliados): 3.00E + 07 RMB (4.32E + 06 $).Coste total de la mano de obra de la construcción de = 7.34E + 05 $ + 4.32E +06$ = 5.05 E + 06 $.

20. El costo de la ocupación del sueloEl uso permanente de la tierra: 180 RMB / m2 x 16 865 m2 (5.400 m2 generador de viento lote + 9,360 m2 subestación + otros) = 3.04E+06 RMB.Camino de acceso para el mantenimiento de la planta: 72 CNY / m2 x 69.300 m2 = 5.00E + 06 RMB.Uso de la tierra temporal para la construcción: 30 RMB /m2 x 30.200 m2 = 9.06E + 05 RMB.Coste total de la ocupación del suelo = 3.04E + 06 RMB + 5.00E + 06RMB + 9.06E + 05 RMB = 8.94E + 06 RMB = 1.29E + 06 $.

21. Rendimiento de por vidaLa generación de electricidad anual de parque eólico: 6.54E + 07 kW h(2.35E + 14 J).Rendimiento de por vida = 2.35E + 14 J / año x 20 años = 4.71E + 15 J.