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Universidad Las Tunas “Vladimir Ilich Lenin”
Facultad de Ciencias Técnicas
Departamento de Ingeniería Industrial
Trabajo de DiplomaTrabajo de DiplomaTrabajo de Diploma
Título: Evaluación del potencial eólico de laTítulo: Evaluación del potencial eólico de laTítulo: Evaluación del potencial eólico de la
UniversidadUniversidadUniversidad VladimirVladimirVladimir Ilich Lenin deIlich Lenin deIlich Lenin de
Las Tunas.Las Tunas.Las Tunas.
Autor: GeorgeAutor: GeorgeAutor: George Alcides ÁvilaAlcides ÁvilaAlcides Ávila SantiestebanSantiestebanSantiesteban
Tutor: M Sc.Tutor: M Sc.Tutor: M Sc. AnisleiAnisleiAnislei Santiesteban VelázquezSantiesteban VelázquezSantiesteban Velázquez
Las Tunas, 2013
“Año 55 de la Revolución”
PensamientoPensamientoPensamiento
“todos los esfuerzos tienen que conducir al incremento“todos los esfuerzos tienen que conducir al incremento“todos los esfuerzos tienen que conducir al incremento
sostenido de la productividad del trabajo, a la par quesostenido de la productividad del trabajo, a la par quesostenido de la productividad del trabajo, a la par que
aseguremos el pleno empleo de los recursos laborales, aaseguremos el pleno empleo de los recursos laborales, aaseguremos el pleno empleo de los recursos laborales, a
reducción de los costos y al aumento de la rentabilidadreducción de los costos y al aumento de la rentabilidadreducción de los costos y al aumento de la rentabilidad
de las empresas; en suma a la eficiencia”.de las empresas; en suma a la eficiencia”.de las empresas; en suma a la eficiencia”.
FidelFidelFidel
DedicatoriaDedicatoriaDedicatoria
A mis padres, hermanos y esposa porA mis padres, hermanos y esposa porA mis padres, hermanos y esposa por
apoyarme incondicionalmente todos y cadaapoyarme incondicionalmente todos y cadaapoyarme incondicionalmente todos y cada
uno de los momentos durante los cinco años deuno de los momentos durante los cinco años deuno de los momentos durante los cinco años de
la carrera y guiarme por el camino correcto.la carrera y guiarme por el camino correcto.la carrera y guiarme por el camino correcto.
A toda mi familia, de forma general, porA toda mi familia, de forma general, porA toda mi familia, de forma general, por
estar siempre conmigo cuando más lo necesité.estar siempre conmigo cuando más lo necesité.estar siempre conmigo cuando más lo necesité.
AgradecimientosAgradecimientosAgradecimientos
A mis padres por su apoyo incondicional enA mis padres por su apoyo incondicional enA mis padres por su apoyo incondicional en
todo momento.todo momento.todo momento.
A familiares, amigos y compañeros deA familiares, amigos y compañeros deA familiares, amigos y compañeros de
estudio.estudio.estudio.
A mi tutor por su apoyo, lo que fue decisivo enA mi tutor por su apoyo, lo que fue decisivo enA mi tutor por su apoyo, lo que fue decisivo en
la culminación exitosa de mis estudios.la culminación exitosa de mis estudios.la culminación exitosa de mis estudios.
A todos los profesores que contribuyeron enA todos los profesores que contribuyeron enA todos los profesores que contribuyeron en
mi formación durante los cinco años de lami formación durante los cinco años de lami formación durante los cinco años de la
carrera.carrera.carrera.
A los trabajadores del Instituto NacionalA los trabajadores del Instituto NacionalA los trabajadores del Instituto Nacional
de Meteorología de Las Tunas por sude Meteorología de Las Tunas por sude Meteorología de Las Tunas por su
colaboración.colaboración.colaboración.
A todas aquellas personas que de una formaA todas aquellas personas que de una formaA todas aquellas personas que de una forma
u otra aportaron su granito de arena para lau otra aportaron su granito de arena para lau otra aportaron su granito de arena para la
realización de este trabajo.realización de este trabajo.realización de este trabajo.
A la Revolución Cubana que me brindóA la Revolución Cubana que me brindóA la Revolución Cubana que me brindó
la oportunidad de estudiar hasta el nivella oportunidad de estudiar hasta el nivella oportunidad de estudiar hasta el nivel
superior y graduarme sin tener que pagar.superior y graduarme sin tener que pagar.superior y graduarme sin tener que pagar.
ResumenEste trabajo se realizó en la Universidad “Vladimir Ilich Lenin” de Las Tunas con
el objetivo de evaluar el potencial eólico que existe en la universidad, se detectó
que el desconocimiento del mismo imposibilita la planificación de futuros
proyectos que se deriven de la utilización de este recurso renovable. Se
utilizaron métodos como: hipotético – deductivo, histórico – lógico y analítico –
sintético y técnicas como: medición, observación directa y experimentación. Por
lo que se determinó como un objetivo específico evaluar el potencial eólico que
existe, el mismo es de 0.729 kW el que equivale a una generación de 6386.04
kWh/año contribuyendo a un ahorro de 574.74 pesos al año. Además se dejan
de emitir a la atmósfera 8.31 t de CO2; 0.31 t de SOx y 0.0034 t de NOx por cada
kWh ahorrado. Como resultado se obtuvo que dicho potencial no satisface lo
suficiente las necesidades del consumo eléctrico de la universidad, debido a la
poca fuerza de los vientos, no obstante se puede emplear en otras actividades
como el bombeo del agua.
AbstractVladimir Ilich Lenin of The Prickly Pears accomplished this work himself at the
University for the sake of evaluating the aeolian potential that exists at the
university, it was detected than the ignorance of the same you make impossible
the planning of future projects that be derived of the utilization of this renewable
resource. They utilized methods like: Hypothetic – synthetic and technical I eat –
logician and analytical deductive, historic –: Measurement, direct observation
and experimentation. What one determined for like a specific objective
evaluating the aeolian potential that exists, the same you are of 0.729 kW the
one that is equivalent to a generation of 6386.04 kilowatt-hour years contributing
to a saving 574.74 weights a year. Besides they stop emitting 8.31 to the
atmosphere t of CO2; 0.31 SOx's t and 0.0034 NOx's t for each saved kilowatt-
hour. As a result it was obtained that the aforementioned potential does not
satisfy what's enough the needs of the electric consumption of the university,
once the lack of strength was owed of the winds, nevertheless it can be used as
in another activities the pumping of water.
IndiceIntroducción ......................................................................................................................... 1CAPITULO I: MARCO TEÓRICO REFERENCIAL.................................................... 51.1 Fuentes de energías renovales ...................................................................................... 51.1.1 Energía Eólica ............................................................................................................. 51.1.2 Aspectos favorables de la energía eólica................................................................... 61.1.3 Críticas a la energía eólica ......................................................................................... 71.1.4 Viabilidad de la energía eólica................................................................................... 81.1.5 Sistemas eólicos para la producción de energía....................................................... 81.1.6 Sistema aislado (Figueredo 2010; Lorenzo 2010) .................................................... 91.1.7 Sistemas conectados a la red. Parques eólicos (UCAR and BALO 2008) ........... 101.1.8 Energía eólica en el mundo ...................................................................................... 111.2 Energía eólica en Cuba ............................................................................................... 121.3 Fundamentación teórica ............................................................................................. 171.3.1 Modelos de aereogeneradores (Sistemas Eólicos) ................................................ 171.3.2 Velocidad del viento .............................................................................................. 201.4 Mapa del Potencial Eólico de Cuba (Morales and Rodríguz 2007) ........................ 211.5 ¿Cómo medir la potencialidad del viento? (Figueredo 2011) ....................... 221.5.1 Potencia del viento .................................................................................................... 231.5.2 Densidad de potencia................................................................................................ 241.5.3 Densidad de energía disponible anualmente .......................................................... 241.6 Potencialidad del viento en un sitio o región (Sol 2008; UCAR and BALO 2008;Fajardo-Díaz, García-Gonzáleza et al. 2010).................................................................. 251.7 Comparaciones conclusivas ........................................................................................ 251.8 Otro método para determinar la energía eléctrica de una instalación de pequeñapotencia............................................................................................................................... 251.9 Conclusiones del capítulo ............................................................................................ 27CAPITULO II. MATERIALES Y MÉTODOS.............................................................. 282.1 Diseño de la investigación ........................................................................................... 282.1.1 Potencia del viento .................................................................................................... 292.1.2 Densidad de potencia................................................................................................ 312.2 Descripción ................................................................................................................... 312.2.1 Caracterización del molino ...................................................................................... 312.2.2 Características de los medios de medición empleados .......................................... 322.3 Valoración económica ................................................................................................. 332.4 Impacto ambiental ....................................................................................................... 332.5 Conclusiones del capítulo ............................................................................................ 35CONCLUSIONES ............................................................................................................. 36RECOMENDACIONES ................................................................................................... 37BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 38ANEXOS………………………………………………………………………………….
1
George Ávila Santiesteban
IntroducciónDesde tiempos remotos el hombre ha utilizado la fuerza del viento como fuente de
energía. Los egipcios utilizaban el viento para desplazarse por medio de barcos
veleros por los ríos Tigris, Éufrates y Nilo con el objetivo de establecer comercio
con otras culturas. Varios siglos después los persas desarrollan el molino de viento
el cual se utilizaba como molino harinero y de agua. Como se puede observar, la
idea de utilizar al viento como fuente de energía no es del todo nueva; sin
embargo, muchos siglos han pasado sin que aparezcan cambios significativos en
la manera tradicional de utilización de esta fuerza (Castellanos 2007). En la
actualidad la tecnología ha logrado que el desarrollo en materia del potencial
eólico no sólo se utilice para la extracción de agua o para los molinos sino que, a
partir del viento, se pueda obtener energía eléctrica gracias a instrumentos
conocidos como “aerogeneradores”, los cuales transforman la energía mecánica
que se produce del viento a energía eléctrica (Galetto and Aromataris 2007). La
obtención de esta energía es conocida como energía eólica (Figueredo 2005;
Figueredo 2009; Rincón 2010). Teniendo en cuenta las bondades de la energía
eólica y el desarrollo alcanzado en el mundo referido a las tecnologías de
explotación de este recurso y las necesidades que tiene nuestro país del ahorro de
energía se ha insertado de una revolución energética por lo que la empresa Eco-
Sol Solar, División de Copextel S.A., comienza un programa más coherente de
instalación de sistemas eólicos e híbridos, que en la actualidad ya cuenta con una
potencia instalada de 28,9 kW, en dieciséis instalaciones, con veintitrés
aerogeneradores de diferentes marcas y procedencias (González and Sera. 2002;
Figueredo 2005; Barreras 2007; González 2007). Nuestra provincia no está ajena
a este proceso y se encuentra inmerso en proyecto para la implantación de un
parque eólico en la costa norte del municipio de Jesús Menéndez aprovechando el
potencial existente en esa zona. El conocimiento a priori del potencial eólico de
una zona incide de forma favorable en la explotación de los recursos eólicos
disponibles (Fajardo-Díaz, García-Gonzáleza et al. 2010; Prats, García et al. 2010;
Figueredo 2011). La determinación del potencial eólico es el primer paso para la
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George Ávila Santiesteban
propuesta de medidas y la realización de proyectos eólicos a largo plazo
(Castellanos 2007).
Teniendo en cuenta el contexto de revolución energética en que se encuentra
inmerso nuestro país y a pesar de la necesidad del uso racional de los recursos
naturales y energéticos, en la Universidad “Vladimir Ilich Lenin” de Las Tunas
(ULT) se observan deficiencias tales como:
Existe una tendencia al aumento del consumo eléctrico del centro.
El agua potable destinada al área de la Residencia Estudiantil se despilfarra
frecuentemente por exceso de bombeo.
En ocasiones existe déficit de agua en el área de la Residencia Estudiantil.
Obsolescencia técnica del equipamiento instalado para el bombeo de agua
con varios años de explotación.
Por lo antes expuesto se define como:
Problema de la investigación: El desconocimiento del potencial eólico en la
Universidad de Las Tunas imposibilita la planificación de futuros proyectos que
deriven en la utilización de este recurso renovable.
Se asume como objeto de estudio: El Potencial Eólico en la Universidad Vladimir
Ilich Lenin de Las Tunas.
La Hipótesis definida es: Si se realiza una evaluación del potencial eólico
existente en la Universidad Vladimir Ilich Lenin de Las Tunas se puede realizar la
propuesta de explotación de un molino de viento del contribuyendo al ahorro de
portadores energéticos y disminuyendo el impacto ambiental.
Para todo lo cual se proponen los siguientes objetivos específicos.
1. Realizar la revisión y análisis bibliográfico de temas relacionados con el
proceso de utilización de Energía Eólica.
2. Evaluar el potencial eólico que existe en la universidad.
3. Disminuir los gastos relacionados con el consumo de la energía eléctrica.
3
George Ávila Santiesteban
4. Evaluar el impacto económico y ambiental que implica el ahorro de energía
eléctrica.
Para dar cumplimiento a estos objetivos se utilizarán los métodos
siguientes:
Métodos teóricos:
Método hipotético-deductivo: permite mediante deducciones particulares,
demostrar el planteamiento de la hipótesis.
Método lógico-inductivo: permite la formación de hipótesis, investigación de leyes y
sus demostraciones.
Método histórico-lógico: consiste en conocer la evolución y desarrollo del objeto o
fenómeno de investigación, con el fin de revelar su historia, las etapas principales
de su desenvolvimiento y las conexiones históricas fundamentales. Los métodos
lógicos se basan en el estudio histórico poniendo de manifiesto la lógica interna de
desarrollo, de su teoría y hasta el conocimiento más profundo de esta, de su
esencia. La estructura lógica del objeto implica su modelación.
Método analítico-sintético: consiste en el análisis y síntesis, en sus múltiples
relaciones, y componentes, para facilitar su estudio y establecer la unión de las
partes previamente analizadas-sintetizadas, de forma concreta, las encuestas y
estadísticas para llegar a conclusiones.
Métodos Empíricos:
Observación: se aprecia el hecho directamente.
Experimentación: implica alteración controlada de las condiciones naturales, de tal
forma que se establecerán modelos, se reproducirán condiciones, se abstraerán
rasgos distintivos del objeto o del problema.
La medición: se desarrolla con el objeto de obtener la información numérica acerca
de una propiedad o cualidad del objeto o fenómeno, donde se comparan
magnitudes medibles y conocidas, es la atribución de valores numéricos a las
propiedades de los objetos.
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George Ávila Santiesteban
Aportes del trabajo:
Se espera resumir, en un documento, la información correspondiente a la
determinación del potencial eólico en la Universidad Vladimir Ilich Lenin de Las
Tunas, a fin de evaluar la efectividad de la utilización del mismo, teniendo en
cuenta las necesidades de la universidad, la evaluación del impacto económico y
ambiental que implica el ahorro de energía eléctrica. El documento así elaborado
debe constituir una fuente de consulta para futuras inversiones en materia de
explotación de la energía eólica.
Cuerpo de la tesis
El trabajo se divide en 2 capítulos organizados de la siguiente forma, en el primero
se abordan temas fundamentales referentes a los elementos teóricos que
sustentaron la investigación, en el segundo se realiza el cálculo para la
determinación del potencial eólico, la evaluación económica y medioambiental que
implica el ahorro de energía eléctrica.
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George Ávila Santiesteban
CAPITULO I: MARCO TEÓRICO REFERENCIAL
Introducción
En el presente capítulo se realiza un análisis, revisando los temas afines con la
bibliografía consultada, para utilizar los elementos básicos que nos ayuden al
desarrollo del trabajo. Establece el Marco Teórico-Metodológico de la investigación
para la consolidación del tema basado en el análisis de los trabajos realizados.
1.1 Fuentes de energías renovales
Entendemos como energía renovable aquella cuya fuente de obtención se renueva
constantemente, siempre que éstos se realicen a una tasa mayor que la de
consumo (Chavéz 2005). Esto les permite continuar existiendo a pesar de ser
“usados” por la humanidad, poniéndose a nuestra disposición de forma periódica,
este término engloba una serie de fuentes energéticas que en teoría no se
agotarían con el paso del tiempo. Hacia la década de años 1970 las energías
renovables se consideraron una alternativa a las energías tradicionales, tanto por
su disponibilidad presente y futura garantizada (a diferencia de los combustibles
fósiles que precisan miles de años para su formación) como por su menor impacto
ambiental en el caso de las energías limpias, y por esta razón fueron llamadas
energías alternativas (RAMÍREZ 2011). Actualmente muchas de estas energías
son una realidad, no una alternativa, por lo que el nombre de alternativas ya no
debe emplearse.
Las energías renovables han constituido una parte importante de la energía
utilizada por los humanos desde tiempos remotos, especialmente la solar, la eólica
y la hidráulica. La navegación a vela, los molinos de viento o de agua y las
disposiciones constructivas de los edificios para aprovechar la luz del sol, son
buenos ejemplos de ello. (Anexo 1)
1.1.1 Energía Eólica
El calentamiento no uniforme de la atmósfera y de la superficie terrestre debido a
la radiación solar, resulta una distribución desigual de presión en la atmósfera, lo
que genera el movimiento de masas de aire, es decir el viento. La energía eólica
6
George Ávila Santiesteban
es una forma indirecta de energía 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 (Mesegué 2005;
Figueredo 2009; Figueredo 2010).
Fig. 1.1 Circulación general del aire en superficie [Mesegué 2005]
1.1.2 Aspectos favorables de la energía eólica
La energía eólica aprovecha una fuente de energía infinita, inagotable y totalmente
gratis como es el viento, no contamina y frena el agotamiento de los combustibles
fósiles contribuyendo a evitar el cambio climático. Es una tecnología de
aprovechamiento totalmente madura y puesta a punto (Castellanos 2007).
Otro factor importante es el carácter no contaminante de esta fuente de energía:
se suprimen radicalmente los impactos originados por los combustibles durante su
extracción, transformación, transporte y combustión, lo que incide
beneficiosamente en la atmósfera, el suelo, el agua ya que las plantas eólicas
evitan el efecto invernadero y la lluvia ácida.
Es una de las fuentes más baratas, puede competir en rentabilidad con otras
fuentes energéticas tradicionales como las centrales térmicas de carbón
(considerado tradicionalmente como el combustible más barato), las centrales de
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George Ávila Santiesteban
combustible e incluso con la energía nuclear, si se consideran los costos de
reparar los daños medioambientales (Figueredo 2006).
Las instalaciones eólicas presentan una rápida amortización, siendo para las
grandes centrales 3 ó 5 meses. Además, a lo largo de su vida (unos 25 años)
generan unas 30 veces más la energía que se utilizó para su construcción, término
que se conoce como "balance de energía" de los sistemas eólicos. Cada kw/h de
electricidad generado por energía eólica en lugar de carbón, evita 0,60 Kg de CO2,
(dióxido de carbono), 1,33 gr de SO2, (dióxido de azufre), 1,67 gr de NOx, (óxido de
nitrógeno) (Prats, García et al. 2010).
1.1.3 Críticas a la energía eólica
Uno de los grandes inconvenientes de este tipo de generación es la dificultad
intrínseca de prever la generación con antelación. Los últimos avances en
previsión del viento han mejorado muchísimo la situación, pero sigue siendo un
problema (Sol 2008; Figueredo 2011).
Otro aspecto que ha sido muy considerado por los críticos es el relacionado con la
mortalidad de las aves, en un comienzo los lugares seleccionados para la
construcción de parques eólicos coincidieron con las rutas de aves migratorias, o
zonas donde las aves aprovechan vientos de ladero, afortunadamente los niveles
de mortandad son muy bajos aunque algunos críticos no opinan de esta manera.
Otra crítica es la del llamado impacto paisajístico debido a la disposición de los
elementos horizontales que lo componen y la aparición de un elemento vertical
como es el aerogenerador, este efecto aparece cuando el sol está por detrás de
los molinos y las sombras de las aspas se proyectan con regularidad sobre los
jardines y las ventanas, parpadeando de tal modo que la gente denominó este
fenómeno: ‘efecto discoteca’. También se señala como un problema el ruido que
producen los aerogeneradores en su funcionamiento (Rincón 2010).
Los problemas a los que aluden las mencionadas críticas, especialmente el efecto
discoteca y el ruido son más evidentes en países o regiones con mucha densidad
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George Ávila Santiesteban
poblacional, como son los países o regiones de Europa, pero no son importantes
en nuestro país.
1.1.4 Viabilidad de la energía eólica
A pesar de todas las ventajas que presenta la energía eólica el uso de esta en
ocasiones resulta poco rentable, por tal motivo para determinar la viabilidad de una
instalación eólica se deben considerar ciertos puntos de interés, en este se
consideran tres aspectos fundamentales, es necesario hacer una evaluación
técnica, económica y constitucional.
La evaluación técnica incluye todo lo relacionado con el lugar, un análisis del clima
eólico, la geografía del sitio para determinar la producción de energía, selección de
la variante a emplear según las necesidades y las componentes del sistema.
La evaluación económica corresponde al valor de la inversión, costo de operación
y mantenimiento, evaluación de la energía considerando la capacidad del sistema,
el beneficio social y finalmente un análisis de la estructura del proyecto, los riesgos
y un análisis de la sensibilidad (Sol 2008; Fargli, Fahmy et al. 2009; Figueredo
2011).
La evolución constitucional corresponde al sistema político y su enfoque en la
producción de energía eólica.
1.1.5 Sistemas eólicos para la producción de energía
El tipo de instalación depende fundamentalmente de las necesidades energéticas
del usuario, del potencial eólico en el emplazamiento y de la disponibilidad de
terrenos para satisfacer las necesidades energéticas.
Dentro de las formas habituales de aprovechamiento de la energía eólica, se
distinguen dos tipos de instalación, claramente diferenciadas:
Instalaciones Aisladas no conectadas a la red, normalmente de pequeña potencia,
cuyo servicio es el bombeo o electrificación en lugares aislados, en este caso
pueden estar acompañadas de otros sistemas: fotovoltaicos o diesel (Figueredo
2010).
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George Ávila Santiesteban
Instalaciones no aisladas cuyo objetivo es suministrar energía eléctrica a la
red de distribución: se trata de parques eólicos de dimensión variable conectados
en alta tensión a la red eléctrica de distribución o bien instalaciones menores con
un aerogenerador de media potencia usualmente conectado a distribuciones en
media tensión (Galetto and Aromataris 2007).
1.1.6 Sistema aislado (Figueredo 2010; Lorenzo 2010)
En la mayoría de estos sistemas se usan aerogeneradores de pequeña capacidad,
es por ello que la tecnología que aplican es diferente a la tecnología que se
emplea para las turbinas eólicas conectadas a la red. Las diferencias entre ambas
tecnologías afectan todas las partes o subsistemas.
En el caso de las instalaciones aisladas, éstas tienen que cubrir las necesidades
de la demanda, por lo que son necesarios sistemas de acumulación y regulación
de la cantidad de energía generada. En los sistemas aislados, el emplazamiento y
el consumo normalmente viene dado por la localización.
Los sistemas aislados dependiendo del tipo de energía que utilicen se subdividen
en sistemas puros (usan solamente como fuente de energía la eólica) y mixtos o
híbridos (Es un sistema en el cual se suministra potencia combinando varios
fuentes de energía que pueden ser renovables (solar, eólica, hidráulica o biomasa)
o convencionales (plantas generadoras de respaldo o la red eléctrica).
Con el auge de las fuentes renovables de energía, desde hace más de treinta
años, los defensores de los sistemas eólicos y solares enfocaron el problema a su
modo de ver el problema y su conveniencia. En aquellos tiempos, cuando se
solicitaba un sistema eólico para un sitio aislado de la red, el proveedor le
suministraba las turbinas eólicas necesarias con sus baterías, según la demanda y
los días sin viento estimados en el sitio. Si se hacía la solicitud a un proveedor de
sistemas fotovoltaicos, éste le hubiera hecho lo mismo, le habría suministrado
tantos paneles fotovoltaicos como hubiera sido necesario.
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George Ávila Santiesteban
Hoy no es así, porque todos los proveedores de estos sistemas están conscientes
de que el uso de los sistemas híbridos es lo más adecuado, es decir, están de
acuerdo en el uso de las energías fotovoltaica y eólica, simultáneamente.
Una potencial ventaja del sistema híbrido sobre los sistemas puros, es que puede
compensar las variaciones estaciónales de los sistemas puros. Mientras el
fotovoltaico puede producir más energía en el verano, el eólico pudiera producir
más energía en el invierno, por lo que aumentan considerablemente las
posibilidades para lograr entre ambos, en el sistema híbrido, una suma de energía
casi constante durante todo el año.
Un sistema puro tendría una estación deficiente en el año, mientras que el híbrido
tiende a compensar el déficit de un sistema puro, los sistemas híbridos pueden
lograr mayor confiabilidad que los sistemas puros, aún con la misma cantidad de
baterías.
1.1.7 Sistemas conectados a la red. Parques eólicos (UCAR and BALO 2008)
En el caso de las instalaciones conectadas a la red generalmente se usan pre
generadores de mediana y gran potencia, la instalación entrega energía de
acuerdo con la velocidad del viento, en estos casos se selecciona el
emplazamiento y no hay limitación de la energía generada y desde el punto de
vista técnico es la propia red, a través de la frecuencia constante (60 Hz), la que
mantiene la velocidad de rotación constante.
Las principales componentes de un parque eólico son:
Conjunto de aerogeneradores .Cada aerogenerador está conectado a una línea de
mediana tensión que recorre todo el parque hasta llegar a la estación
transformadora.
Subestación de transformadores se encarga de acoplar la tensión del parque con
la tensión de la red en el punto de conexión, en esta se lleva a cabo la elevación
de la tensión a la tensión de la red.
Líneas de alta tensión.
Punto de conexión.
11
George Ávila Santiesteban
1.1.8 Energía eólica en el mundo
Gracias a sus efectos beneficiosos en la esfera económica, social y ambiental, en
el mundo actual el uso de la energía eólica ha ido incrementando notablemente. El
uso de la energía cinética del viento para la obtención de energía no tiene nada de
innovador, desde tiempos muy antiguos, el hombre ha venido utilizando la energía
del viento el viento propulsaba los pequeños botes y hace 2000 años aparecieron
los primeros molinos de viento en Persia, utilizados para moler el grano y bombear
agua de los ríos. El viento era la segunda fuente de energía, sólo superada por la
madera. A pesar de todo, hasta el siglo XIX no empezó el aprovechamiento
comercial de la energía eólica para la producción de electricidad (Castedo 1996).
Actualmente, la contribución de la energía eólica a la generación de electricidad es
todavía poco significativa. Pero es evidente que esta fuente energética tiene un
amplio potencial de crecimiento: en los últimos años, la energía eólica ha
experimentado un desarrollo tecnológico considerable y ha incrementado su
competitividad en términos económicos en relación con otras fuentes de energía
(González 2008).
En la Unión Europea, el sector de la energía eólica ha crecido de manera
importante en los últimos años. Actualmente, la industria eólica europea encabeza
el mercado a escala mundial, tanto por lo que hace referencia a su nivel
tecnológico, como al volumen de producción, que representa el 50% del mercado
internacional, o la existencia de programas específicos de búsqueda, desarrollo y
difusión, tanto estatales como comunitarios. En la liga de los países que apuestan
por la energía eólica se encuentra Alemania en primer lugar siguen España,
Estados Unidos, La India, Dinamarca y China. En Latinoamérica los pioneros son
Brasil, México y Costa Rica.
La energía eólica podría producir en el 2020 el 12% de la electricidad mundial y el
20% en Europa. El uso de esta energía es primordial para reducir las emisiones
contaminantes de CO2 causadas por las centrales térmicas y sustituir a los
combustibles fósiles como fuentes de energía. El informe "Viento Fuerza 12"
promovido por EWEA (Asociación Europea de Energía Eólica) y Greenpeace
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George Ávila Santiesteban
destaca que la energía eólica es la fuente de energía que está creciendo con más
rapidez en el mundo (Chavéz 2005; Figueredo 2005).
Si tenemos en cuenta que un MW podría abastecer de energía eléctrica, en
promedio, a 250 a 300 hogares, un simple cálculo nos dice que 74.000 MW de
energía instalada en el mundo a fines del año 2006 podrían proveer servicio a
20,4 millones de hogares, es decir a algo más de 100 millones de habitantes
(Figueredo 2007). Cuando en el 2010 la capacidad instalada de energía eólica se
ubique en 160.000 MW, el abastecimiento de energía eléctrica a través de este
medio podría llegar a alrededor de 44 millones de hogares, es decir más de 200
millones de personas.
Para esa fecha la población mundial va a llegar a alrededor de 6.800 millones de
habitantes, es decir que un 3% de la población mundial podría usar ese tipo de
energía.
1.2 Energía eólica en Cuba
En Cuba la electricidad se produce fundamentalmente en las termoeléctricas a
partir de la transformación de la energía química del petróleo en electricidad.
Siendo la industria el principal consumidor de energía, con un 62% del total, contra
un 8% del sector residencial según la Oficina Nacional Estadística.
En diciembre de 2005 la Asamblea Nacional del Poder Popular aprueba declarar el
2006 como «Año de la Revolución Energética en Cuba». Esta decisión responde a
la voluntad y compromiso del Estado cubano de fortalecer la estrategia nacional de
contribuir al desarrollo sostenible, en consonancia con su política energética,
desde el triunfo de la Revolución, para satisfacer las necesidades de todos los
cubanos, sin excepción alguna.
Ya desde antes del triunfo revolucionario, en el juicio por el asalto al Cuartel
Moncada (1953), Fidel plantea: «...llevar la corriente eléctrica hasta el último rincón
de la Isla». Con esos antecedentes, la política energética cubana en el siglo XXI
se basa en los factores siguientes:
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George Ávila Santiesteban
Proliferación de una cultura energética encaminada al logro de un desarrollo
independiente, seguro, sostenible y en defensa del medio ambiente.
Prospección, conocimiento, explotación y uso de las fuentes nacionales de
energía, sean convencionales o no.
Uso racional de la energía, con el máximo ahorro en su uso final y la utilización de
tecnologías de alta eficiencia.
Producción distribuida de la electricidad y cerca del lugar de consumo.
Desarrollo de tecnologías para el uso generalizado de las fuentes renovables de
energía, con un peso progresivo en el balance energético nacional.
La combustión en el mundo, y especialmente en Cuba, es cada vez más
contaminante por la reducción de la calidad de los combustibles que se queman.
Siendo la aplicación en Cuba de aditivos para la combustión una variante que
reduce la contaminación y las afectaciones al equipamiento y aumenta la eficiencia
de la combustión, reduciendo la corrosión de altas y bajas temperaturas y los
fenómenos de inestabilidad de las mezclas de combustible (Mesegué 2005;
Larosa 2007).
Finalmente la capacidad instalada no llega a cubrir la demanda creciente de
electricidad, que se espera lo haga aceleradamente en el futuro dado el
crecimiento económico del país, no previéndose en los próximos años un proceso
inversionista que resuelva este problema, por lo que se requiere buscar
alternativas energéticas que resuelvan la situación actual y futura.
Se han establecido dos líneas de trabajo. La primera se relaciona con el
incremento del uso de los recursos energéticos nacionales como el crudo nacional,
el biogás y otras fuentes renovables en lo cual se han alcanzado altos índices. La
segunda línea abarca el incremento de la eficiencia energética, buscando obtener
del kW-h el máximo de aprovechamiento, para ello se están sustituyendo
gradualmente los equipos y tecnologías consumidoras en todos los sectores, se
están reparando los equipos domésticos defectuosos y se aplica un programa de
educación a la población para aumentar el ahorro de energía, entre otros (Prats,
García et al. 2010).
14
George Ávila Santiesteban
El aprovechamiento del viento es una variante energética que en las zonas
ventajosas de la costa norte puede competir con el petróleo y que se inscribe
dentro de la primera línea de trabajo. De acuerdo a las experiencias en California,
Dinamarca y Alemania y basándose en los criterios de los especialistas cubanos
se plantea que en Cuba se puede llegar a instalar una capacidad de
aerogeneradores de hasta el 10% de la capacidad actual instalada, es decir, 300
MW, sin que las oscilaciones del viento altere de manera importante el Sistema
Electro energético Nacional (Morales and Rodríguz 2007; Gámez, Reta et al.
2008).
La aplicación a gran escala de la energía eólica en Cuba choca contra el criterio
de que no existen vientos para ello se debe aclarar que los equipos para realizar
una prospección adecuada de recurso eólico se obtuvieron hace más de nueve
años y se trabajó fuertemente en la localización de sitios eólicos de interés, entre
los que se destacaron Cayo Sabinal, Punta de Maisí, Santa Cruz del Norte y la
Gran Piedra, no destacándose otros en la costa norte de Cuba, donde la
combinación de los vientos alisios y las brisas del mar crean las condiciones
necesarias para su explotación (Barreras 2007; Castellanos 2007).
Dada la falta de financiamiento para las nuevas inversiones del sector energético,
la mejor selección actual para la energía eólica es permitir que inversionistas
extranjeros monten los aerogeneradores de gran escala y vendan la energía
eléctrica, así no se realiza la inversión inicial, ni se corre el riesgo por falta de
experiencia. Se toma experiencia en la aplicación de la energía eólica y en la
conexión a la red.
Además los aerogeneradores tienen gran aplicación en sistemas aislados que
requieran pequeñas cantidades de energía, como las viviendas aisladas, centros
de cálculos, las máquinas de producir tejas, consultorios médicos, etc. (que utilizan
potencias menores de 5 kW), o para el bombeo de agua, tanto para el riego, como
para el abasto de agua a poblados e industrias con potencial eólico suficiente
(González 2007; González 2008; Lorenzo 2010).
15
George Ávila Santiesteban
Cuba se inserta hoy cada vez más en el camino del desarrollo y uso racional de la
energía renovable, en particular de la eólica, que goza de gran auge en el mundo.
La voluntad política del gobierno y las condiciones naturales existentes en la isla
crean las premisas para el fomento también de otras fuentes alternativas de
energía.
Estos son el de Turiguanó, en la Isla de la Juventud, al sur de la zona occidental
de Cuba, con 2,10 MW instalados y ya en operaciones, y otros dos en el municipio
holguinero de Gibara, en el oriente del país (Lorenzo 2010). El Gibara
recientemente fue puesto en marcha, este fin de semana incorporó sus primeros
MW al Sistema Electroenergético Nacional (SEN). Es considerado el mayor
parque eólico del archipiélago (aportará 5,1 MW), y el primero situado en la franja
de la costa norte, la cual es la de mejores condiciones para el fomento de ese tipo
de energía.
De esta manera el parque de Turiguanó, el Gibara 1 y el otro que se construirá en
Gibara, en la zona de Punta Rasa, que se proyecta concluir este año, constituyen
un paso importante en el propósito de incrementar el rendimiento de las fuentes
renovables de energía, como vía de ahorrar combustibles y no contaminar el
medio.
El país espera disponer en este año de notables cantidades de energía generada
con la fuerza de los vientos, fuente que goza de gran auge en el mundo ante el
probable agotamiento de los combustibles fósiles.
Por otra parte, operan en la isla más de seis mil 700 molinos de viento para la
agricultura y la ganadería, que significan un ahorro anual de 31 mil 624 toneladas
de combustibles. Se suman otros 270 existentes en la rama azucarera.
Otros esfuerzos realizados en esta dirección comprenden la actualización del
Mapa Eólico Nacional donde se hace una clasificación de las zonas geográficas en
función de las características del viento (Anexo 4), y la instalación de estaciones
de tecnología alemana para la medición del viento a 50 metros de altura (Morales
and Rodríguz 2007).
16
George Ávila Santiesteban
El gobierno cubano, inmerso en la introducción de alternativas energéticas ante los
desmesurados precios del petróleo, fomenta el uso de la energía eólica entre otras
fuentes de energía renovable Hasta ese momento, la única experiencia cubana en
la generación eléctrica mediante los vientos era el Parque Eólico Demostrativo de
la isla de Turiguanó, en la central provincia de Ciego de Ávila, donde hay
instalados dos aerogeneradores de 225 kW de potencia cada uno.
Cuba podría producir entre 5.000 y 14.000 MW a partir del viento, aseguró el
coordinador del Programa de Energía Eólica en el país, Eduardo Santé.
El especialista precisó que las mayores potencialidades para instalar parques
eólicos se encuentran en la zona centro-oriental, desde Ciego de Ávila hasta
Guantánamo.
En los estudios se tuvo en cuenta que Cuba, con una configuración larga y
estrecha, es azotada casi todo el año por fuertes vientos a alturas de 50 metros, lo
que le otorga un inmenso potencial energético. También se analizaron los
frecuentes embates de los huracanes, ya que esos modernos molinos, cuando los
vientos son superiores a los 90 kilómetros por hora, se frenan, y sus aspas se
colocan perfiladas en dirección a la corriente de aire para evitar daños
(Castellanos 2007).
La búsqueda de fuentes alternativas de energía cobró un especial impulso en
Cuba con la puesta en práctica de la "Revolución Energética", una estrategia
gubernamental que comenzó en 2005 y se basa en el ahorro y uso racional de los
combustibles.
Los beneficios de la energía eólica son mundialmente conocidos y aplicados,
sobre todo por países como España, Alemania, Holanda, China y Japón.
En los proyectos de las autoridades cubanas figura la edificación de otro parque
eólico en los Cayos Coco y Guillermo, al norte de Ciego de Ávila, para suministrar
electricidad a los hoteles que acogen a miles de turistas en la zona. También se
prevé el montaje de otro parque eólico en Gibara con máquinas de tecnología
china.
17
George Ávila Santiesteban
Esas metas se insertan en los propósitos gubernamentales de reducir la
dependencia del petróleo para producir energía y aumentar la disponibilidad del
servicio eléctrico mediante la paulatina introducción de alternativas energéticas
más económicas y menos nocivas para el entorno, como la solar, la hídrica y la
eólica.
En la aerogeneración nuestro país da sus primeros pasos. El Centro de Estudio de
Energías Renovables (CETER), del Instituto Superior Politécnico José Antonio
Echeverría, y el Centro de Investigaciones de Energía Solar (CIES), han diseñado
y construido prototipos de aerogeneradores de baja potencia para aplicaciones
aisladas, que han permitido ganar experiencias en estas técnicas (González and
Sera. 2002).
La posibilidad de alcanzar el 10% de la generación eléctrica en Cuba utilizando la
energía del viento permitirá ahorrar alrededor de 390 000 toneladas de petróleo al
año, y con ello se evitaría la emisión de más de 11 500 toneladas de SO2, 8 700
toneladas de NO, 1 800 000 toneladas de CO2 y otros contaminantes cada año.
1.3 Fundamentación teórica
Descripción de un aerogenerador, partes componentes, diferentes tipos de
aerogeneradores, principio de funcionamiento, principales parámetros que se
tienen en cuenta en el diseño de los aerogeneradores, expresiones matemáticas
para el cálculo de la potencia de salida, energía que se le extrae al viento,
eficiencia del aerogenerador. Definición de los diferentes factores que intervienen
en las ecuaciones, curvas de potencia, etc.
1.3.1 Modelos de aereogeneradores (Sistemas Eólicos)
Los molinos de viento modernos se denominan actualmente aerogeneradores o
sistemas eólicos. Utilizan del aire circulante, el viento, una parte de la energía
cinética contenida (energía de movimiento) y la transforman en energía rotacional.
Con la energía rotacional, que se encuentra disponible en el eje del
18
George Ávila Santiesteban
aerogenerador, se pueden accionar distintas máquinas por ejemplo trituradoras de
grano, bombas de agua y generadores eléctricos.
Los dos modelos constructivos son históricos y se utilizan en la construcción de
aerogeneradores modernos, donde el modelo de eje horizontal es el más utilizado
y es específicamente utilizado en grandes aerogeneradores.
En el modelo de eje horizontal se diferencian nuevamente dos tipos de
construcción de aerogeneradores modernos, los denominados de muchas palas y
los de dos o tres palas.
En los aerogeneradores de muchas palas, el rotor posee generalmente entre 12 a
24 hojas, construidas de superficies de latón planas o curvadas y fijadas
oblicuamente al eje de giro. El rotor posee una gran área cubierta por las palas,
por lo que el sistema ante bajas velocidades de viento comienza a funcionar.
Posee además un alto valor de momento de partida, lo que es favorable para el
accionamiento de bombas Kolben. Por ello, estos sistemas se implementan
esencialmente para el bombeo de agua. Los aerogeneradores de muchas palas se
reconocen porque poseen una bajo número de giros. Se denominan por ello de
giro lento. La regulación de las revoluciones no es posible, lo que no es necesario
en las bombas de agua.
A través de una veleta de viento (veleta de orientación) se orienta el rotor en forma
natural en la dirección del viento. Una pequeña vela lateral sirve frecuentemente
de seguridad ante tormentas, la que ante un viento de mayor intensidad hace girar
el rotor fuera de la dirección del viento con lo que se protege el rotor de sobre
revoluciones y daños.
La eficiencia global de un aerogenerador de muchas palas conectado a una
bomba de agua puede alcanzar un 20% (González 2008).
Para la generación de electricidad, las exigencias de los aerogeneradores son
totalmente distintas. En esta aplicación las revoluciones de giro deben ser altas y
regulables, o sea ajustables a un valor constante. Estas condiciones se pueden
lograr con aerogeneradores de dos y tres palas. Poseen palas de forma
aerodinámica, las que por motivos de regulación se giran sobre su eje más largo.
19
George Ávila Santiesteban
Ante distintas velocidades de viento, las palas se orientan de tal forma que
mantienen constantes las revoluciones de giro.
Ante altas velocidades, las palas deben reorientarse en forma automática para
disminuir las sobre revoluciones, y poder disminuir la fuerza impulsora del viento.
Ante bajas velocidades de viento se cumple el proceso inverso de regulación.
Debido a las altas revoluciones de giro, estos aerogeneradores se denominan
también de giro rápido.
Como consecuencia del bajo número de palas, la superficie de contacto con el
viento es menor, por lo que estos aerogeneradores comienzan a girar a
velocidades de viento mayores que las de los aerogeneradores de muchas palas.
Por otro lado, pueden operar a mayores velocidades de viento. Los
aerogeneradores modernos de giro rápido llegan a alcanzar eficiencias hasta un
40%.
Dependiendo de la potencia nominal de los generadores, se dividen los
aerogeneradores en tres grandes clases:
Aerogeneradores pequeños con una potencia hasta 100 kW. Pertenecen a los
actuales sistemas comercializados y poseen una tecnología madura. De estos
modelos se instalaron miles en Dinamarca y USA. En muchos otros lugares se
agrupan en parques eólicos. El primer parque eólico alemán con 30
aerogeneradores se fundó en 1986 en Kaiser-Wilhelm-Koog.
Los campos de aplicaciones típicos para estos sistemas son: operación en
paralelo con la red, suministro a la red abierta, al igual que sistemas islas (ver
figuras 6,7 y 8).
Aerogeneradores medios con una potencia hasta 1 MW. De éstos hay en muchos
lugares en Europa en construcción. En la isla Helgoland, por ejemplo, opera un
sistema de 1,2 MW desde 1990, lo que debe cubrir 1/3 de las necesidades
eléctricas de la isla. En general, en nuestras latitudes, los aerogeneradores medios
parecen poseer la mayor probabilidad de ser implementados.
20
George Ávila Santiesteban
Aerogeneradores grandes con potencias de algunos MWs. Aquí aparecen aún
grandes problemas. Los pocos sistemas prototipos instalados hasta hoy, están
pensados para adquirir experiencia en la operación y para probar materiales.
El aerogenerador más grande, existente en Alemania, es el AEOLUS II y se
encuentra en el parque eólico de Jade. Está en operación desde 1993 y posee una
potencia nominal de 3 MW, la que alcanza con una intensidad de viento 7. La torre
de hormigón pre trenzada, es de 92 m de altura. Las dos palas de carbono
reforzadas con fibra de vidrio tienen una longitud de 38,8 m y pesan 9 toneladas.
1.3.2 Velocidad del viento
El viento viene definido por dos parámetros esenciales que son, su dirección y su
velocidad. La dirección del viento y su valoración a lo largo del tiempo conducen a
la ejecución de la llamada rosa de los vientos.
La velocidad media del viento varía entre 3 y 7 m/seg, según diversas situaciones
meteorológicas; es elevada en las costas, más de 6 m/seg, así como en algunos
valles más o menos estrechos. En otras regiones es, en general, de 3 a 4 m/seg,
siendo bastante más elevada en las montañas, dependiendo de la altitud y de la
topografía (Mesegué 2005; Fargli, Fahmy et al. 2009).
La velocidad media del viento es más débil durante la noche, variando muy poco,
aumenta a partir de la salida del Sol y alcanza un máximo entre las 12 y 16 horas
solares partir de la salida del Sol y alcanza un máximo entre las 12 y 16 horas
solares. Para realizar la medida de las velocidades del viento se utilizan los
anemómetros; existen muy diversos tipos de estos aparatos, que en un principio
se pueden clasificar en anemómetros de rotación y anemómetros de presión
(Figueredo 2009).
El anemómetro de rotación más característico es el de Papillon, que es
un molino de eje vertical con cazoletas en forma de semiesfera o el de
aletas oblicuas de Jules Richard. El anemómetro de presión se basa en el
21
George Ávila Santiesteban
método del tubo de Pitot. La dirección del viento se comprueba mediante
una veleta, mientras que la velocidad se mide con un anemómetro.
Según sea la velocidad se pueden considerar tres tipos de definiciones:
Viento instantáneo; se mide la velocidad del viento en un instante
determinado.
Viento medio aeronáutico; se mide la velocidad media durante 2 minutos
Viento medio meteorológico; se mide la velocidad media durante 10
minutos.
Hay que distinguir también entre golpe de viento y ráfagas. Una ráfaga es
un aumento brutal y de corta duración de la velocidad del viento, propio
de tormentas y borrascas. El golpe de viento concierne a la velocidad
media del viento, cuando sobrepasa los 34 nudos, 62 km/hora, y es una
señal de advertencia, sobre todo para la navegación marítima. Un golpe
de viento se corresponde con una velocidad media del viento
comprendida entre 75 y 88 km/hora.
1.4 Mapa del Potencial Eólico de Cuba (Morales and Rodríguz 2007)
Para impulsar el uso de la energía eólica, como parte de la Revolución Energética,
resulta prioritaria la evaluación del recurso eólico en el país, con la finalidad de
conocer el potencial en este recurso, así como los posibles sitios en los cuales es
factible el emplazamiento de parques eólicos a mediana y gran escalas que
puedan tributar al Sistema Electroenergético Nacional (SEN).
El Mapa del Potencial Eólico de Cuba permite identificar 26 zonas geográficas que
revelan potenciales eólicos acordes con las clases 4 (Moderado, M), 5 (Bueno, B),
6 (Excelente, E) y 7 (Excepcional, Excep), con potencias que van desde 500 y 600
W/m2, con velocidades entre 6,2 y 6,8 m/s, y más de 1 000 W/m2 (> 8,2 m/s)
(Excep.).
Con este trabajo se confirmaron las áreas definidas en mapas de versiones
anteriores, así como resultantes de estudios de prospección realizados en algunos
22
George Ávila Santiesteban
sitios de Cuba. Asimismo, se pudieron identificar nuevas áreas de interés desde el
punto de vista del recurso, principalmente en la costa sur, donde hasta el momento
no se tenía ninguna información.
En línea general puede decirse que los potenciales altos (entre Moderado y
Excelente) se hallan desplazados hacia las áreas costeras, con puntos muy
notables en zonas montañosas. Estos resultados se corresponden con el carácter
insular (isla larga y estrecha) de Cuba, donde la circulación local de brisas en las
costas norte y sur desempeña un importante rol, junto a los patrones de gran
escala, en la definición del clima del recurso eólico del país.
A partir de la determinación de la extensión en kilómetros cuadrados de las áreas
consideradas entre moderadas y excelentes, se determinó el potencial eólico de
Cuba, que fluctúa entre 5 000 y 14 000 MW (Anexo 5). Patrones de gran escala,
en la definición del clima del recurso eólico del país.
Esta capacidad instalable, teniendo en cuenta un factor de capacidad de 25%,
resulta un estimado del potencial equivalente entre 1 200 y 3 500 MW.
ÁreaT (km2): Área total con densidad de potencia del viento mayor o igual que 400
W/m2, velocidad del viento superior a 6,2 m/s y RIX 15%.
ÁreaE (km2): Área aprovechable para el emplazamiento de parques eólicos
teniendo en cuenta el uso de 20% del área total (ÁreaT). Se desprecian las áreas
ocupadas por asentamientos humanos, campos de cultivo, unidades militares,
centros turísticos, industrias, carreteras, áreas protegidas, etcétera).
FC (%): Factor de capacidad (cociente entre la energía real producida por el
aerogenerador y su producción nominal de energía).
RIX (%): Índice que caracteriza el grado de irregularidad de las pendientes (para
RIX > 15% se excluyen las zonas montañosas con pendientes abruptas e
irregulares).
1.5 ¿Cómo medir la potencialidad del viento? (Figueredo 2011)
La velocidad de cualquier objeto se expresa en metros por segundo (m/s), el
rendimiento cañero se calcula en toneladas de caña por hectárea, el peso de un
23
George Ávila Santiesteban
animal se evalúa en kilogramos, pero, ¿cómo medir la potencialidad del viento?
¿Cómo saber si un sitio es bueno, regular o malo para la instalación de sistemas
eólicos de producción de energía? Si logramos responder esta pregunta podremos
conocer cuán adecuado, o no, es un sitio para el uso del viento como fuente de
energía.
Existe la falsa creencia de que con el valor de la velocidad media del viento basta
para dar esta respuesta, pero no olvidemos que la velocidad del viento es variable
y caprichosa. Con el mismo valor de velocidad puede un sitio ser excelente, bueno
o regular. Es decir, no es suficiente conocer el valor de la velocidad media del
viento (anual, mensual o diario).
Resulta interesante cómo el término «potencialidad» se maneja en los círculos
dedicados a evaluar la potencialidad de las fuentes renovables de energía. Está
claro que la potencialidad para producir biogás debe ser directamente proporcional
a la cantidad de animales que produzcan los desechos, que la potencialidad del
Sol está en función de la radiación solar que sentimos, que la potencialidad
hidroenergética es proporcional al volumen de agua y la altura a que está
acumulada, y que la potencialidad del viento es función de la velocidad del viento,
pero ¿cómo evaluar su potencialidad en un lugar o región?
El parámetro más empleado para dar respuesta a esta pregunta es la densidad de
potencia. Debido a las grandes variaciones temporales del viento, una forma de
evaluar la potencialidad del viento es mediante la potencia media que dispone o
contiene el viento por unidad de área expuesta al viento, o la densidad de potencia
media en watt por metro cuadrado de área, lo que también se conoce como
potencia media específica. Todo esto, relacionado con una altura sobre el nivel del
suelo a la que fue referida, pues, como se sabe, la velocidad del viento aumenta
cuando aumenta la altura, lo que supone que la densidad de potencia aumenta
con la altura.
1.5.1 Potencia del viento
La potencia de viento, entonces, resulta:
24
George Ávila Santiesteban
Energía cinética/tiempo = ½ (m/t) V2 = ½ M V2
Donde:
m: Masa, en kg.
V: Velocidad, en m/s.
M = m/t: Masa que se mueve por unidad de tiempo.
En otras palabras:
Masa (m) de aire por segundo = densidad del aire x volumen de aire que pasa
cada segundo = densidad del aire x área x longitud del cilindro de aire que pasa
cada segundo = densidad del aire x área x velocidad
Es decir, M = m/t = ρ A V
Sustituyendo M en (1):
Energía cinética por segundo = ½ x ρ x A x V3, en J/s.
Donde ρ se expresa en kilogramos por metro cúbico; A, en metros cuadrados, y V,
en metros por segundo.
La energía por unidad de tiempo es igual a la potencia, por lo que la ecuación
anterior expresa la potencia del viento.
Potencia del viento, P (watt) = energía cinética del viento por segundo (J/s)
Es decir, P = ½ x ρ x A x V3
1.5.2 Densidad de potencia
El cálculo de la densidad de potencia se realizó usando la velocidad media del
viento, y un adecuado factor de energía, o factor cúbico (FC) que se expresa de la
manera siguiente:
P/A = ½ x (densidad del aire) x (FC) x V3
1.5.3 Densidad de energía disponible anualmente
=P/A x 8760 h
25
George Ávila Santiesteban
1.6 Potencialidad del viento en un sitio o región (Sol 2008; UCAR and BALO
2008; Fajardo-Díaz, García-Gonzáleza et al. 2010)
Acorde a lo anterior, se acostumbra a evaluar la potencialidad del viento en un
lugar sobre la base de la potencia específica o densidad de potencia, por cuanto
este valor expresa qué cantidad de potencia pasa por cada metro cuadrado de
superficie que aporta el viento en dicho lugar. Mientras mayores sean estos
valores, mayores serán las posibilidades de ese sitio de producir energía, ya que,
como se ha expresado, la potencia es igual a la energía por unidad de tiempo.
La caracterización de una región sobre la base del potencial del viento, se expresa
asignando a cada área una clasificación cualitativa, o un número de clase sobre la
base del valor de la velocidad media anual del viento y la densidad de potencia
disponible media anual, siempre especificando la altura sobre el nivel del mar.
Si la densidad de potencia anual la multiplicamos por el número total de horas del
año (8 760 horas), el resultado será la densidad de energía disponible anualmente.
1.7 Comparaciones conclusivas
Cuando se desea evaluar el potencial eólico de un sitio, por lo general se habla de
determinar su velocidad media anual. Sin embargo, debido a que la potencia es
una función del cubo de la velocidad, los períodos de vientos fuertes contribuyen
mucho más a la producción de energía anual que la misma velocidad media.
Debido a esto, es necesario conocer la potencia media anual aprovechable en el
sitio de emplazamiento, que depende del comportamiento de la velocidad en dicho
sitio. Entonces, se puede hablar del potencial eólico evaluado.
Como conclusión, se puede expresar que, al evaluar el potencial eólico, no basta
con conocer la velocidad media del viento, sino que es necesario conocer también
la densidad media de potencia.
1.8 Otro método para determinar la energía eléctrica de una instalación de
pequeña potencia.
26
George Ávila Santiesteban
Para determinar la producción de energía eléctrica de una instalación eólica de
pequeña potencia, con frecuencia se emplea el denominado “método de la curva
de potencia”, que se basa en la utilización de la curva característica del
aerogenerador y una distribución de probabilidades de la velocidad del viento
(Figueredo 2006).
Cada sitio tiene una distribución de probabilidades de la velocidad del viento
diferente. Una de las más comunes es la conocida la distribución de Rayleigh que
a los efectos de pequeñas máquinas eólicas suele emplearse para calcular la
energía producida en un intervalo de tiempo. Para un cálculo más exacto se
necesitaría conocer la distribución de probabilidades de la velocidad del viento en
el sitio, tal como se hace cuando se trata de instalaciones de gran escala. Para los
proyectos de parques eólicos se hace necesario estudiar más a fondo el recurso
eólico y conocer con precisión la distribución de probabilidades; sin embargo, lo
costoso de ese proceso no lo hace viable para las instalaciones de pequeña
escala.
Las instalaciones eólicas de producción de electricidad de pequeña potencia
suelen emplearse en zonas alejadas de la red general de distribución eléctrica. El
tamaño y tipo de instalación depende únicamente de las necesidades del usuario
de la instalación. Las instalaciones más frecuentes son de muy pequeña potencia
y emplean tecnologías muy fiables en las que es necesario un mantenimiento
básico. Normalmente ese sistema eólico se emplea para suministro eléctrico de
viviendas aisladas, embarcaciones, etc., y suele requerir velocidades muy bajas de
viento.
Las instalaciones eólicas de este tipo son competitivas con las instalaciones
fotovoltaicas, la biomasa y las plantas movidas por motores de combustión interna
(grupos electrógenos), aunque resultan más costosas que las plantas
microhidroeléctricas, y el costo de producción del kWh depende de la magnitud del
consumo diario de energía eléctrica.
Actualmente, la economía de escala de los pequeños aerogeneradores los hace
competitivos desde el punto de vista de los costos para potencias superiores a los
27
George Ávila Santiesteban
250 W. Para cargas diarias tan pequeñas, como un kilowatt hora diario, la
producción de electricidad con un aerogenerador es más económica que las
plantas de diesel, o las instalaciones fotovoltaicas, cuando las velocidades del
viento son mayores de 4 m/s a la altura del eje del rotor. Estas velocidades del
viento están presentes en muchos sitios. Para cargas mayores, las ventajas de las
instalaciones eólicas con pequeños aerogeneradores son mayores.
1.9 Conclusiones del capítulo
En este capítulo se aborda el desarrollo alcanzado en el mundo de la utilización de
la energía eólica. Se analiza como con el desarrollo actual de la energía eólica aún
la energía eléctrica producida solo representa el 12 % de la generada a nivel
mundial. Se analizan los métodos empleados para evaluar el potencial eólico de
una región determinada así como los pasos a seguir para determinarlo. Se evalúa
el desarrollo de la energía eólica en Cuba y los pasos que se han seguido y los
marcados a seguir para continuar empleando este recurso renovable.
28
George Ávila Santiesteban
CAPITULO II. MATERIALES Y MÉTODOS
Introducción.
En este capítulo se realizará la evaluación del potencial eólico existente en la
universidad a partir de la metodología expuesta por (Figueredo 2011). Se realizará
además la propuesta de puesta en marcha de un molino de viento para el bombeo
de agua.
2.1 Diseño de la investigación
La información utilizada para este trabajo fue obtenida mediante los siguientes
instrumentos: un anemómetro de tres copas, un barómetro y un sensor de
temperatura.
Figu-
ra 2.1
Ane-
mó-
metro
de
tres
co-
pas.
Estos instrumentos así como los datos fueron brindados por el Instituto de
Meteorología de Las Tunas (Insmet), las mediciones fueron tomadas por los
especialistas de dicho instituto desde enero de 2010 hasta diciembre de 2012. La
extrapolación de los datos hasta las aéreas de nuestra universidad no difiere
mucho a criterios de los especialistas del Insmet en Las Tunas pues
características como el apantallamiento no existen en el área noreste de la
29
George Ávila Santiesteban
residencia estudiantil donde reside nuestra propuesta de instalación del molino de
viento y es de donde más predomina la dirección del viento.
En la figura 2.2 se muestran las mediciones del viento.
Fig. 2.2 Velocidad del viento.
Para la obtención del potencial eólico en cierta área circular específica, se requiere
del conocimiento de tres factores importantes (Anónimo 2008):
Velocidad. Debido a que la velocidad del viento no es constante, se realizaron
mediciones de velocidad en función del tiempo; mediciones mensuales durante
tres años. (VER ANEXO 7).
Densidad del aire seco, tomada como 1.225 medida en kg/m3, la que corresponde
a la presión atmosférica promedio a nivel del mar y a 25ºC.
Tamaño del rotor.
2.1.1 Potencia del viento
La potencia de viento, entonces, resulta:
Energía cinética/tiempo = ½ (m/t) V2 = ½ M V2
Donde:
m: Masa, en kg.
V: Velocidad, en m/s.
M = m/t: Masa que se mueve por unidad de tiempo.
30
George Ávila Santiesteban
La energía cinética del viento puede calcularse si se supone un volumen de aire
pasando a través de un anillo circular, que encierra un área circular A (dígase, 100
m2), a una velocidad V (dígase, 3.48 m/s) (ANEXO 2).
Cuando el aire se mueve a una velocidad de 3.48 m/s, un cilindro de aire de 3.48
m de longitud pasará a través del anillo cada segundo. Por tanto, un volumen de
aire igual a 7.065 x 3.48 = 24.6 metros cúbicos (m3), pasará por el anillo cada
segundo. Multiplicando este volumen por la densidad de aire ρ (1,225 kg/m3 a nivel
del mar), se obtiene la masa de aire en movimiento a través del anillo cada
segundo.
En otras palabras:
Masa (m) de aire por segundo = densidad del aire x volumen de aire que pasa
cada segundo = densidad del aire x área de barrido x longitud del cilindro de aire
que pasa cada segundo = densidad del aire x área de barrido x velocidad
Por lo que:
Área de barrido del rotor (A) = π x R2
Área de barrido del rotor (A) = 3.14 x 1.52
Área de barrido del rotor (A) = 7.065 m2
Donde R es el radio cuando se trata de un rotor de eje horizontal.
Entonces:
M = m/t = ρ A V = 1,225 x 7.065 x 3.48 =30.12 kg/s
Sustituyendo M en (1):
Energía cinética por segundo = ½ x ρ x A x V3, en J/s.
Donde ρ se expresa en kilogramos por metro cúbico; A, en metros cuadrados, y V,
en metros por segundo.
La energía por unidad de tiempo es igual a la potencia, por lo que la ecuación
anterior expresa la potencia del viento.
Potencia del viento, P (watt) = energía cinética del viento por segundo (J/s)
Es decir, P = ½ x ρ x A x V3
P = ½ x1, 225 kg/m3 x 7.065 m2 x (3.48 m/s) 3
P = 729.48 W ó P = 0.729 kW x 8760h = 6386.04 kWh/año
31
George Ávila Santiesteban
La conclusión a que se puede llegar de la expresión anterior, es que la potencia es
proporcional al área a través de la cual el aire pasa, a la velocidad del aire al cubo
y a la densidad del aire.
2.1.2 Densidad de potencia
El cálculo de la densidad de potencia se realizó usando la velocidad media del
viento, y un adecuado factor de energía, o factor cúbico (FC= 1.91) que se
expresa de la manera siguiente:
P/A = ½ x (densidad del aire) x (FC) x V3
P/A = ½ x 1,225 kg/m3 x1, 91 x (3.48 m/s)3
P/A = 197.2 kWh/año/m2
Donde V = 3.48 es la velocidad media anual en la universidad.
Conociendo ya la densidad de potencia anual, es posible estimar la densidad de
energía disponible en kilowatt_hora en el año por metro cuadrado (kWh/año/m2),
multiplicando la densidad de potencia anual, por las 8760 horas que tiene el año.
Densidad de energía disponible anualmente
P/A x 8760 h = 197.2 x 8760 = 1727472 kWh/año/m2
Como la densidad de potencia media anual es de 1727472 kWh/m2 por año la
densidad de energía disponible en el año será de 1727.47 kWh/m2 por año (197.2
x 8 760/1 000). Esto expresa que si pudiéramos aprovechar completamente la
energía que aporta el viento, obtendríamos 1727.47 kWh anuales por cada metro
cuadrado de superficie de captación del sistema eólico empleado. A esto se le
conoce como metro cuadrado de área de barrido del rotor del aerogenerador.
2.2 Descripción
2.2.1 Caracterización del molino
Si dispone del catálogo del molino de viento Huracán, en estas condiciones, un
molino de este modelo con 3,05 m de diámetro de rotor, entrega 2 740 litros
diarios (2,74 m3). Si se estima el tiempo de trabajo entre 5 y 6 horas como
32
George Ávila Santiesteban
promedio diarias, se entregaría 13,7-16,44 m3/día, que es suficiente para cubrir la
necesidad de 14 m3/día.
Es necesario verificar este resultado, tomando como referencia los datos del
fabricante. Para esto se tomará, por ejemplo, el catálogo del modelo Huracán,
distribuido en Cuba por el Ministerio de la Agricultura. En la tabla de capacidades
se indica que en este molino, con un rotor de 3,05 m, la capacidad de entrega por
hora es de 2,74 m3, con una altura de bombeo de 25 m. Considerando que el
molino trabaja 6 horas diarias, la entrega total diaria resulta 2,74 x 6 = 16,44 m3
Esto equivale a 25 x 16,44 = 411,0 m4/día, que es aproximadamente igual a los
403,7 m4/día.
2.2.2 Características de los medios de medición empleados
Los medios de medición empleado para el estudio del comportamiento de los
viento son los recogidos en el Instituto de Meteorología Provincial de Las Tunas.
Donde los anemómetros que se encuentran en los aerogeneradores y en la
estación de medición que se encuentra en el lugar donde está el parque, estos
miden la velocidad del viento y están conectado el software del telemando donde
las magnitudes mecánicas son convertidas en magnitudes físicas de esta forma se
puede determinar el mejor aprovechamiento del viento y sus diversos cambios o
variaciones.
El instrumento para este fin, más difundido actualmente, a nivel comercial, es el
anemorumbógrafo con memoria de estado sólido, que registra la velocidad media
y dirección del viento en un intervalo de tiempo que puede ser programado por el
usuario.
Con las posibilidades de estos instrumentos para la toma de datos, se recomienda
tomar muestras con una frecuencia de 5 a 10 segundos y promedios a intervalos
de 10 minutos a 1 hora.
La integración de data loggers a las estaciones a las estaciones anemométricas
además la ventaja de que los registros se realizan automáticamente y que pueden
33
George Ávila Santiesteban
trabajar en un sitio remoto La frecuencia de las mediciones depende en parte del
parámetro a medir.
A partir de esta serie temporal de datos se obtienen los resultados estadísticos de
los parámetros representativos del potencial eólico y sus características
particulares: valores medios, máximos, direcciones predominantes, distribución de
frecuencia de las velocidades, curva de duración, etc., así como las
representaciones gráficas correspondientes.
2.3 Valoración económica. (Anexo 6)
Valor Actual Neto (VAN): Es la diferencia entre el valor actual de los beneficios
brutos y el valor actual de los costos y las inversiones. Expresa en $ el Momento 0,
cuánto más rico será el inversor si hace el proyecto.
Criterio de decisión de no rechazo: Se debe aceptar todo proyecto cuyo VAN sea
mayor que 0.
Criterio de comparación: Se debe elegir el proyecto con mayor VAN siempre que
todos los VAN sean positivos y si los proyectos que se comparan tienen igual
duración.
Significado: Mide lo que queda para el accionista del proyecto luego de computar
los ingresos, los costos de operación y otros, las inversiones y, en la tasa de
descuento, el costo de oportunidad del capital. Por lo tanto, representa la riqueza
adicional que se consigue con el proyecto sobre la mejor alternativa = RENTA
ECONÓMICA.
2.4 Impacto ambiental
Para evaluar el impacto ambiental se valora el impacto que tendría el que se
ahorrasen los 6.39 MWh calculados anteriormente. Se tiene en cuenta la
reducción de las emisiones de dióxido de carbono (CO2), óxidos de azufre (SOX) y
óxidos de nitrógeno (NOX) al ahorrar combustible (fuel - oil) que utiliza el
Sistema Electroenergético Nacional (SEN) para generar energía eléctrica. Para
34
George Ávila Santiesteban
determinar las emisiones de CO2, NOX y SOX cuando se utiliza energía
eléctrica del SEN con fuel-oil como combustible se utilizaron las siguientes
expresiones dadas.
2.2
2.3
2.4
Donde:
D fuel oil: Consumo de fuel oil para generar la energía eléctrica
1,44: Coeficiente que tiene en cuenta las pérdidas en la red de transmisión
y distribución de la energía eléctrica.
Cp: Calor especifico de combustión inferior del fuel oil (10 400 kJ/kWh).
El SEN (Sistema Electroenergético Nacional) tiene un consumo específico de
combustible en la actualidad de 280 g/kWh. Se dejan de quemar para la
generación de energía eléctrica 1788.09 kg de combustible por hora.
Aplicando las ecuaciones (2.2; 2.3 y 2.4), en una hoja de cálculo del Excel, se
dejarán de emitir:
Tabla 2.1 Impacto ambiental.
Dentro del impacto ambiental podemos plantear que se disminuirán en gran
medida las emisiones de gases contaminantes producto de la combustión interna
de los grupos electrógenos ya que contribuirá al ahorro de energía eléctrica en el
Reducción de
contaminantes
en Termoeléctricas
Emisiones
de CO2
(tn)
Emisiones
de SOx
(tn)
Emisiones
de NOx
(tn)
Por los kWh ahorrado
se dejan de emitir8.31 0.31 0.0034
35
George Ávila Santiesteban
área de la turbina. Es equipo que no emite gases perjudiciales a la atmósfera
debido a que no requiere de ningún agente causante de contaminación para poder
funcionar.
2.5 Conclusiones del capítulo
Como se puede apreciar, el potencial eólico obtenido es de 0.729 kW, lo cual no
es lo suficientemente potente para abastecer la universidad en el cual se están
llevando a cabo las investigaciones, la cual consume aproximadamente 57790
kWh/año. No obstante, contribuye al ahorro de 6386.04 kWh debido a que la
potencia del aerogenerador depende en gran medida de la velocidad del viento, y
es por eso que la investigación se sigue llevando a cabo, ya que la velocidad del
viento no es constante durante todo el año.
El resultado obtenido de las investigaciones realizadas en este campo ayudará a
comprender de mejor manera los vientos presentes en esta zona de la provincia
de Las Tunas, para así, en un futuro no muy lejano, poder utilizar la energía eólica
como una fuente alternativa energía no solo para el bombeo de agua sino para
abastecer de electricidad a la comunidad universitaria.
36
George Ávila Santiesteban
CONCLUSIONES GENERALES
Con la realización de este trabajo se puede llegar a las conclusiones siguientes:
1. Como resultado se obtuvo que dicho potencial no satisface lo suficiente las
necesidades del consumo eléctrico de la universidad, debido a la poca
fuerza de los vientos, no obstante se puede emplear en otras actividades
como el bombeo del agua.
2. Se evidenció que en el mundo existe una tendencia hacia el uso de la
energía eólica incluyendo nuestro país debido a que es una de las fuentes
más económica, inagotable y viable de siglo.
3. Se produce un ahorro de 6386.04 kWh/año de los 57790 kWh/año que
consume la universidad.
4. En lo económico se ahorran 574.74 pesos y en lo ambiental se dejan de
emitir a la atmósfera 8.31 t de CO2; 0.31 t de SOx y 0.0034 t de NOx por cada
kWh ahorrado.
37
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RECOMENDACIONES
Luego de análisis bibliográfico y del resultado del estudio se recomienda:
1. Que se realice un estudio más profundo sobre el potencial eólico existente
en la universidad con el fin de aprovecharlo en función de las necesidades
reales del centro.
2. Que se haga un estudio relacionado con manto freático y a la calidad del
agua en la zona para la instalación de molinos de viento para el bombeo de
agua.
3. Que se dediquen todos los recursos necesarios para lograr la puesta en
marcha del proyecto.
4. Que se aplique una política de capacitación para los trabajadores tomen
conciencia de la importancia de la energía eólica y de la necesidad que tiene
nuestro país del ahorro de energía.
38
George Ávila Santiesteban
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ANEXOS
ANEXO 1
Clasificación Fuentes de energía
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ANEXO 2
Volumen cilíndrico de aire pasando a velocidad V (10 m/s)
a través de un anillo que contiene un área, A, cada segundo.
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ANEXO 3
Densidad de potencia en función de la velocidad del viento.
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ANEXO 4
Mapa del Potencial Eólico de Cuba
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ANEXO 5
Potencial eólico instalable en Cuba
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ANEXO 6: Evaluación económica.
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ANEXO 7
