MINISTERIO DE CIENCIA, TECNOLOGIA Y MEDIO AMBIENTE
CENTRO METEOROLOGICO PROVINCIAL
HOLGUIN
PRIMER TALLER NACIONAL DE ENERGÍAS RENOVABLES Y NO CONVENCIONALES
Título: ‘’Valoración del potencial eólico en la zona costera de la provincia Holguín’’
Autor: Lic.Jorge Proenza Velázquez.
Profesor Asistente Adjunto.
2003
Resumen.
Dentro de las posibilidades energéticas y medioambientales de las distintas energías renovables, la EOLICA por su carácter límpio e inagotable, permite un gran desarrollo como recurso endógeno en aquellas áreas que cuentan con un potencial necesario para su aplicación.
El aprovechamiento de la ENERGIA EOLICA, se realiza mediante el empleo de Molinos de Vientos y Aeroturbinas (Aerogeneradores) , que pueden ser de muy diversos tamaños y potencias, cuando se instalan colectivamente, se conoce con la denominación de ‘’Parque Eólico”.
En este trabajo se parte de la utilización de una base de datos de 5 años de la Estación Meteorológica de Cabo Lucrecia respresentativa de la zona costera de la provincia de Holguín, y partir de allí se realizan los análisis y cálculos necesarios que incluyen: la distribución de los vientos por períodos(diurno y nocturno), la distribución de las velocidades medias mensuales de los vientos, así como la distribución de las frecuencias de velocidades de los vientos, y cálculos de los rangos de vientos para determinar sus posibilidades de utilización. .Se analiza la tendencia actual de la utilización de la energía eólica en el mundo moderno, partiendo de los resultados que han obtenido los países de mayor desarrollo en la explotación de dicho recurso natural. Se obtiene el potencial eólico a 10 m de altura de la zona costera de la provincia Holguín.
Introducción.
Como suerte de elemento secundario, no pocas civilizaciones utilizaron y abandonaron la idea de aprovechar el viento. Muchos siglos se sucedieron sin que aparecieran cambios relevantes fuera de la tradicional utilización de esta fuerza para el bombeo de agua y la molienda de granos.
Sin embargo, los avances tecnológicos realizados para lograr la conquista del espacio revolucionó la aerodinámica y el desarrollo de nuevos materiales para acceder a una realidad de asombrosas perspectivas.
Paso a paso, el trayecto que va desde poco después de la Edad de Piedra hasta el umbral de lo que puede ser la Era del Aire Limpio muestra la importancia de este inagotable recurso natural.
El inventor del molino de viento se perdió en la historia de los tiempos. Cuando se encuentra un antecedente en los molinos harineros con que el hombre tuvo materia prima para su primer pan, siempre surge algo que pudo ser anterior, como el bombeo o la subida de agua hasta la superficie mediante rudimentarios procedimientos.
Como hemos visto, el hombre va y viene por la historia siguiendo novedades que muchas veces tendrán una corta duración, porque se ha recurrido a una explotación irracional de recursos no renovables muy conocidos hoy.
La generación de energía ha sido una de esas experiencias dramáticas al punto de que ya el petróleo y las usinas atómicas mostraron su condición pasajera y peligrosa. Acualmente, los viejos molinos alimentados por el simple contacto con la naturaleza, resurgieron fortalecidos por nuevas técnicas, seguramente para quedarse ahora largo tiempo al servicio del hombre, que esta aprendiendo la lección.
Como parte de la experiencia vivida en el mundo, la producción de energía eléctrica en nuestro país posee su basamento en la utilización de combustible fósil, recurso altamente contaminante, no renovable y cada día más costoso.
Debido a las bondades de la energía eólica y el desarrollo alcanzado en el mundo referido a las tecnologías de explotación de este recurso se hace necesario un trabajo que aborde la temática sobre la provincia Holguín, partiendo de las particularidades físico-geográficas singulares de este territorio, con el propósito de mostrar las ventajas e inconveniencias de su uso y además caracterizar la zona costera en función de las posibilidades de explotación para la generación de energía eléctrica que satisfaga las necesidades de la comunidades aledañas y en mayor medida el aporte de energía eléctrica al Sistema Nacional.
Problema
La problemática que estimula tal estudio es la no existencia de una caracterización del viento que ofrezca el potencial eólico de la zona costera.
Hipótesis:
Debido a la velocidad sostenida del viento y la persistencia durante el día en la zona costera de la provincia de Holguín, es factible la explotación de la energía eólica con aerogeneradores.
Objetivos
1. Considerar las ventajas y desventajas de la utilización de la energía eólica así como mostrar la tendencia actual en el mundo acerca del uso de esta fuente de energía.
2. Valorar el potencial eólico de la zona costera de la provincia de Holguín para la generación de electricidad.
Materiales y Métodos.
La atmósfera es un sistema complejo regulado por múltiples fuerzas que reaccionan entre sí y se influyen mutuamente, por lo que, para la comprensión del comportamiento de cualquier elemento meteorológico nos tenemos que basar en los métodos propios de la climatología, ciencia que estudia los fenómenos atmosféricos para una región o zona dada en un largo periodo de tiempo.
Con el objetivo de conocer las potencialidades para el aprovechamiento eólico en la zona costera de la provincia Holguín partimos de una profunda búsqueda bibliográfica que nos permitió definir hasta qué punto se encuentra el desarrollo tecnológico en la utilización del viento a partir de la capacidad de aprovechamiento de los aerogeneradores actuales, un recurso importante en este sentido fue la búsqueda en Internet de sitios Web especializados en esta materia y que fueran fuentes oficiales en tal sentido.
La búsqueda facilitó comprender la tendencia actual en el uso de este valioso recurso natural y la diferenciación entre países desarrollados y en desarrollo en el uso de este tipo de energía.
Como que nuestro principal propósito debe estar encaminado al logro del desarrollo de forma sostenible tuvimos en cuenta las experiencias sobre los estudios de impacto ambiental en países que ya poseen aerogeneradores y parques eólicos instalados.
Luego de conocer el nivel al que se encuentra el mundo en lo referido a la utilización del viento para la generación de energía limpia nos propusimos estudiar el litoral de la provincia Holguín debido a que las particularidades físico-geográficas muestran ventajas para la garantía de un viento algo sostenible y moderado partiendo de que en este territorio las brisas se suman vectorialmente al Alisio semipermanente y hace que la fuerza del viento se refuerce durante el día.
Por esta causa confeccionamos una base de datos trihoraria de 5 años compuesta por 14608 observaciones de la fuerza del viento referidas a la Estación Meteorológica de Punta Lucrecia, codificada y validada por la Organización Meteorológica Mundial como la número 78365, que nos indica que pertenece al bloque 78 de la Asociación Regional IV y que esta identificada en el área de El Caribe con el número 365.
Debido a que la potencia eólica es directamente proporcional al cubo de la velocidad del viento partimos del cálculo del comportamiento medio de esta variable por horas de observación (1.00 a.m., 4.00 a.m., 7.00 a.m., 10 a.m. 1.00 p.m., 4.00 p.m., 7.00 p.m. y 10.00 p.m.) y meses, así como el promedio anual.
El resultado obtenido a partir de este procesamiento mostró la factibilidad existente para el uso de la energía eólica, luego aplicamos el análisis de frecuencia seleccionando 6 rangos para facilitar la interpretación del fenómeno, el primer rango de valor (0) nos ofrecería la cantidad de días con calma donde es imposible el uso del viento, los rangos 1-6 km/h y 7-12 km/h arrojarían los vientos flojos o de poca fuerza, mientras que los rangos siguientes permitirían mostrar el potencial eólico óptimo.
Capítulo I. Energía Eólica. Consideraciones generales.
El viento es ante todo aire en movimiento. La radiación solar absorbida irregularmente por la atmósfera, da lugar a masas de aire con diferentes tempeaturas y, por tanto, diferentes densidades y presiones. El aire al desplazarse desde las altas a las bajas presiones, da lugar al viento. La energía del viento que es posible captar con una máquina eólica es directamente proporcional a la densidad del aire, a la superficie de la captación y al cubo de la velocidad del viento. Existen perturbaciones como resultado de otras fuerzas y además, a escala local, la orografía ejerce un efecto muy importante sobre las características del suelo.
El viento esta siempre presente en la superficie de la tierra. Tan pronto sopla con la fuerza de una tormenta como con la suavidad de una brisa. Se estima que la energía contenida en los vientos es aproximadamente el 2% del total de la energía solar que llega a la Tierra, lo que supone casi dos billones de toneladas equivalentes de petróleo (Tep.) al año (200 veces mayor que la que consumen todos los paises del planeta), aunque en la práctica podría ser utilizada una parte muy pequeña de esta cifra debido a su aleatoriedad y dispersión y su aprovechamiento limitado aún por razones técincas que se abordarán más adelante. No obstante a las inconveniencias antes señaladas, las tendencias apuntan a que este recurso sea una de las más prometedoras fuentes de energía inagotable a las que más pronto que tarde deberemos apelar en función de la sostenibilidad.
El mayor récord de viento registrado es de 372 km/h en el Monte Washington, EUA en abril de 1934.
Que Ehécath el Dios azteca del viento y Eolo para los griegos, nos traigan vientos fuertes y regulares.
I. a) Antecedentes.
Aunque el aprovechamiento de energía eólica data de las épocas más remotas de la humanidad (los egipcios ya navegaban a vela en el año 4.500 a.c.) la primera noticia que se tiene se refiere a un molino que Heron de Alejandría construyó en el siglo II a.c. para propocionar aire a su órgano. Los molinos antiguos que se conocen eran de eje vertical.
Hacia el siglo VII aparecieron en Europa, procedentes del Este, grandes molinos de eje horizontal con cuatro aspas. Su fabricación en gran número, en particular por los holandeses, les hizo alcanzar una gran firmeza, pese a que, debido a las dimensiones de sus aspas distaban mucho de recoger un máximo de potencia. Necesitan una regulación de la orientación de la tela, algo que siempre sucede en los molinos de viento de eje horizontal que han de trabajar siempre frente al viento, estos molinos eran muy adecuados para vientos del orden de los 20 km/h (5 m/s).
Es a partir de los siglos XII – XIII cuando empieza a generalizarse el uso de los molinos de viento para la elevación del agua y la molienda de granos, los más antiguos aparecieron en Turquía, en Irán y en Afganistán. A principios del siglo XII Europa se llenó de molinos, sobre todo en Bélgica y Holanda. Los molinos de Holanda tenían 4 aspas de lona, mientras que los aparecidos en Portugal e islas Baleares tenían 6 y los de Grecia 12. Los molinos con gran número de palas determinan velocidades de rotación relativamente bajas y un funcionamiento útil a partir de velocidades del viento del orden de 2 m/s.
Todos estos molinos se mantuvieron hasta bien entrado el siglo XIX. El desarrollo de los molinos de viento se interrumpe con la Revolución Industrial y la utilización masiva de vapor, la electricidad y los combustibles fósiles como fuentes de energía motriz. Es sin embargo en la segunda mitad del siglo XIX cuando tiene lugar uno de los más importantes avances en la tecnología del aprovechamiento del viento, con la aparición del popular “molino multipala tipo americano”, utilizado para bombeos de agua prácticamente en todo el mundo, y cuyas características habrían de sentar las bases para el diseño de los modernos generadores eólicos.
Fue entre las guerras mundiales cuando aparecieron, como consecuencia de los progresos técnicos de las hélices de aviación y con ella los proyectos de grandes aerogeneradores de dos o tres palas. Se tendió a construir casi únicamente los de dos, ya que resultan más baratos. Incluso se pensó en utilizar una única pala equilibrada con un contrapeso. Actualmente predominan los molinos tripalas. Esos aerogeneradores giran más rápidamente que los multipalas, lo que constuituye una ventaja cuando se trata de alimentar máquinas de gran velocidad de rotación como los alternadores eléctricos. Los grandes aerogeneradores están situados en lo alto de una torre tronco-cónica de acero.
Los aerogeneradores de eje vertical tienen la ventaja de adaptarse a cualquier dirección del viento. Por ello se les llama panémonos (todos los vientos). No precisan dispositivos de orientación. En su forma más moderna derivan todos ellos del inventado en 1925 por el Ingeniero francés Darrieus, patentado en EUA y luego caído en un olvido casi total. Su estudio volvió a iniciarse en Canadá en 1973 y en EUA a partir de 1975. Las máquinas pequeñas, de 1-60 KW, pueden construirse a un precio inferior al de los molinos de viento clásicos de eje horizontal. En EUA, los laboratorios SANDIA en Alburquerque, Nuevo México estudian y comercializan los molinos de viento Darrieus.
El primer aerogenerador fue construido en Francia, en 1929, pero se rompió a causa de una violenta tormenta. La compañía electromecánica construyó en Bourge un aerogenerador de dos palas de 20 metros de diámetro. El aparato fue destruido por las ráfagas de viento.
En la extinta URSS se puso en funcionamiento en 1931, en Crimea, frente al Mar Negro, un aerogenerador de 30 metros, que tenía que proporcioar 100 KW a la red de Sebastopol, la media durante dos años fue de 32 KW.
En 1941 los estadounidenses y más concretamente la NASA construyó un bipala de 53 metros de diámetro, previsto para una potencia máxima de 1.250 KW que se instaló en Vermont, en el nordeste de EUA. Las primeras pruebas, iniciadas en octubre de 1941 continuaron durante unos 15 meses. Un pequeño incidente en 1943 bloqueó la máquina durante dos años, ya que las dificultades ligadas a la guerra retrazaron la fabricación de piezas nuevas. Vuelto a poner en marcha, el aerogenerador proporcionó corriente al sector durante 23 días, luego se rompió una de las palas y se abandonó el proyecto.
En 1975 se pusieron en servicio los aerogeneradores MOD.O con unas palas de metal con un diámetro de 38 metros, produciendo 100KW. En 1977 se construyó el MOD. OA que tenía 200 KW. La General Electric termina el bipala MOD.1 en 1978 que con diámetro de 60 metros acciona un alternador de 2 MW. Mientras la Boeing estudia el MOD.2, ideal para vientos medios de las grandes llanuras que con 91 metros de diámetro produce 2.5 MW, con palas de acero.
En Francia, un vasto programa patrocinado por la Electricité de France, ha realizado un estudio del viento en todas las regiones y ha construido varios grandes aerogeneradores experimentales. El aerogenerador “Best, Romani” tripala de 30 metros de diámetro con chapas de aleación ligera fue instalado en Nogent-Le-Roig en Beauce. Podía proporcionar 800 KW a la red con un viento de 60 km/h. Esta máquina experimental aportó entre 1958 y 1962 un gran número de informaciones sobre su funcionamiento en condiciones reales de explotación. La compañía Neyepic instaló en Saint-Rémy-des-Landes (Manche) dos aerogeneradores de tres palas. El primero de 21 metros de diámero y que producía 130 KW de potencia, funcionó hasta marzo de 1966. El otro de 35 metros y previsto para producir 1000 KW proporcionó una potencia stisfactoria durante las pruebas, pero a la ruptura de un palier en 1964 hizo que se abandonase el programa de estudio.
En Alemania se construyó entre 1955 y 1957 un aerogenerador de dos palas de 34 metros de diámetro, de fibra de vidrio, a 80 km al este de Sttugart. Esta máquina funcionó hasta 1968. Dinamarca construyó en 1957 el “Gedsr Mill”, hélice de 3 palas de 24 metros de diámetro que funcionó hasta 1968. Producía 200 KW con una velocidad del viento en el eje de la máquina de 15 m/s.
El bajo precio del petróleo determinó entonces la suspensión total de los grandes proyectos en todo el mundo. Pero en los años ’70, coincidiendo con la primera crisis del petróleo se inicia una nueva etapa en el aprovechamiento de la energía del viento. Las aplicaciones de las modernas tecnologías, y en especial de las desarrolladas para la aviación ha dado como resultado la aparición de una nueva generación de máquinas eólicas muy perfeccionadas, y que permiten su explotación, bajo criterio de rentabilidad económica, en zonas de potencial eólico elevado.
A principios de los años ’70, los norteamericanos, enfrentados al aumento de los problemas de abastecimiento de energía iniciaron un amplio programa para explotar la energía eólica. En aquel momento se estima en efecto, que esta energía inagotable podría, aparte de sus aplicaciones tradicionales, proporcional KW/H a las redes eléctricas a un precio igual o inferior al de las Centrales térmicas. Ello sería pronto una realidad con la puesta en servicio de grandes aerogeneradores que producirán potencias eléctricas comprendidas entre 2-5 MW, EUA cuenta con numerosos proyectos para la utilización de la energía del viento, incluso en combinación cn otras centrales como las hidroeléctricas. También ha mostrado un gran interés en proporcionar los aerogeneradores entre el público para que no los rechace y entre los posibles interesados (fabricantes virtuales).
Algunos de estos molinos alcanzaban dimensiones colosales para aquella época: Sus hélices, con un diámetro de varias decenas de metros, están sostenidas por grandes postes. Casi todas las grandes eólicas fueron destruidas del mismo modo tras algunos años de servicio. Es el caso, por ejemplo, de la gran hélice de 31 metros instalada en 1958 en Nogenc-Le-Roig, un pueblo de Normandía, al oeste de Francia destruido por una tormenta en1963. Montado sobre un trípode metálico, tenía tres palas, situada a 35 metros por encima del suelo y capaz de girar a 47 r.p.m. ponía en movimiento un generador eléctrico conectado a la red urbana, o de otra más modesta (18 metros). Construida en una isla de Gran Bretaña en 1979: Solo funcionó durante 9 meses.
Los primeros grandes aerogeneradores se encuentran en los EUA, donde en 1941 había ya una eólica cuya hélice pesaba 7 toneladas y tenía un diámetro de 53 metros. También esta se rompió durante una tormenta. Desde 1973 y bajo la responsabilidad de la NASA los EUA han reanudado la construcción de eólicas gigantes, las dos más grandes miden 68m y 91m de diámetro y funcionan desde 1968 en Boone (Ohio) y en Barstow (California), las mismas producen de 2000 a 2500 KW de electricidad.
El florecimiento californiano de la energía eólica se debió en gran parte a una política fiscal favorable y a los altos precios que pagaban las eléctricas por la energía de origen eólico a mediado de los años 1980. Ambos incentivos se han suprimido, pero la energía de origen eólico continúa creciendo en California, si bien a un ritmo más lento. Los parque eólicos de Altamont eran, se decía con malicia, refugio contra los impuestos. La verdad es que los primeros años fueron difíciles. Los incentivos fiscales estimularon la rápida construcción de aerogeneradores cuyo diseño no se había sometido a pruebas rigurosas, y las averías menudeaban. Hoy, resuelto la mayoría de los problemas, la economía de la generación eólica ha mejorado notablemente. Desde 1981, el costo de la energía eléctrica generada por fuerza eólica ha caido en casi un orden de magnitud. De las reducciones en el costo pocas son atribuibles a innovaciones técnicas. Salvo las paletas de material compuesto ligero y las turbinas conroladas por computadoras, los aerogeneradores comerciales de Altamont no incorporan novedades sustanciales, aerodinámicas o de proyecto, respecto a los que se construyeron hace 50 años. La reducción de costos de la energía eólica obedece, sobre todo, a la experiencia de los años, que lleva consigo la introducción de métodos normalizados. En las industrias, los fabricantes aplicaron a las técnicas de producción en masa; en el campo, los especialistas aprendieron a escoger los emplazamientos mejores y a acomodar el calendario de mantenimiento a los periodos de vientos flojos. Las nuevas turbinas eólicas, de ténicas más depuradas prometen ulteriores ahorros. La compañia PG&G está inmersa en un proyecto de 5 años de duración en cooperación con el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (IIEE, O EPRI), de Palo Alto, y U.S. Windpower de Livermore, ambos en California, para desarrollar, construir y probar prototipos de una turbina eólica de 300 KW y de velocidad variable.
En resumen, la historia nos enseña que los molinos de viento existían ya desde la más lejana antigüedad de Persia, Iraq, Egipto y China, incluso diecisiete siglos antes de Cristo, Hammurabi, rey de Babilonia había concebido un proyecto para poner regadío a la meseta de Mesopotamia con auxilio de la energía eólica, actualmente, veinte siglos después de Cristo consideramos que en esta materia aún queda mucho por andar.
I. b) Estado actual, distribución del uso de la Energía Eólica en el planeta.
Actualmente la energía eólica se aprovecha de dos formas diferenciadas:
Por una parte se utilizan para sacar agua de los pozos, un tipo de eólica llamados aerobombas, hoy en día existe un modelo de máquina muy generalizado con los molinos multipalas del tipo americano. Directamente se aprovecha la energía mecánica o por medio de bombas estos molinos extraen el agua de los pozos sin más ayuda que la del viento. Por otra están ese tipo de eólicas que llevan unidas un generador eléctrico y producen corriente cuando sopla el viento, reciben entonces el nombre de aerogeneradores
Las aplicaciones aisladas por medio de pequeña o mediana potencia se utilizan para uso doméstico o agrícola (iluminación, pequeños electrodomésticos, TV, instalaciones turísticas y deportivas, etc...).
También se utilizan aerogeneradores de gran potencia en instalaciones aisladas para usos específicos como lo es: Desalinización de agua marina, producción de hidrógeno.
La conexión directa a la red viene representada por la utilización de aerogenedaroes de potencias grande (mas de 10 o 100 KW). Aunque en determinados casos y gracias al apoyo de los Estados a la energía renovable, es factible la conexión de modelos más pequeños, siempre teniendo en cuenta los costos de enganche a la red referidos a los permisos y el equipamiento. La mayor rentabilidad se alcanza a traves de agrupaciones de máquinas de potencia conectadas entre sí y que vierten su energía conjuntamente a la red eléctrica. Dichos sistemas se denominan parques eólicos.
Por sus condiciones de producción caprichosa esta limitada en porcentaje al total de energía eléctrica (en la conexión directa a la red). Se considera que el grado de penetración de la energía eólica en grandes redes de distribución eléctrica, puede alcanzar sin problemas del 15% al 20% del total sin especiales precauciones en la calidad del suministro, ni en la estabilidad de la red.
Los avances en la aerodinámica han incrementado el rendimiento de los aerogeneradores del 10% hasta el. 45%. En buenos emplazamientos, con vientos medios anuales superiores a los 5 m/s a 10 metros de altura, se consiguen producciones eléctricas anuales por metro cuadrado de área barrida superiores a los 1000 KW/h. El tamaño medio de los grandes aerogeneradores es de 600-1300 KW con rotores de 40 metros de diámetro. Existe una tendencia generalizada hacia las máquinas tripala que representan más del 80% de los aerogeneradores instalados.
Los futuros desarrollos tecnológicos buscan la reducción de los costos mediante la elección de conceptos simplificados como por ejemplo el uso de trenes de potencias modulares, diseños sin cajas de multiplicación, sistemas de comunicación pasivos y con orientación libre. Los desarrollos inciden también en la reducción de cargas mediante articulaciones y con sistema de velocidad variable, control de par, reduciendo las fluctuaciones lo cual se traducirá en trenes de potencia más ligeros y baratos.
Los nuevos diseños buscan así mismo, la reducción del impacto visual y el ruido aerodinámico.
Los materiales que tradicionalmente se han utilizado en la fabricación de las palas de los aerogeneradores se han visto desplazados por la utilización de plásticos y resinas, la fibra de vidrio se aplica al 99% de los grandes aerogeneradores. Existe una tendencia clara hacia el uso de epoxy (generalmente resina de poliester) reforzado de fibra de vidrio o carbono.
En cuanto a las turbinas pequeñas, igualmente el 99% usan materiales plásticos, solo algún fabricante usa madera, la mayoría son de materiales plásticos inyectables. Antes de aplicarse estos materiales las palas eran de madera, acero y aluminio y ahora en algún caso aislado de más de 1MW se usa madera interiormente para dar cuerpo y más rigidez.
Todos estos avances tecnológicos responden a un mayor aprovechamiento del llamado Coeficiente de potencia (Cp) y que no es más que la fracción de energía capturada por una aerogenerador, este coeficiente de potencia posee un valor teórico de 59.3%.
La mayoría de los aerogeneradores actuales son de eje horizontal. La opción de eje vertical tiene la ventaja de que los equipos de conversión y control están en la base del grupo y el aerogenerador no tiene que orientar su posición según la dirección del viento. La principal desventaja es que las cargas mecánicas pasan de cero a su valor máximo dos o tres veces por ciclo, dependiendo del número de palas y también la altura del rotor es más pequeña que en los de eje horizontal, con lo que el viento recibido es menor.
Las claves en el diseño y funcionamiento de un aerogenerador están en los componentes estructurales, el diseño aerodinámico, el sistema de conversión eléctrica y el sistema de control.
Los generadores de 600 KW que se usan actualmente poseen torre de 35/40/45/50/55 metros de altura y 39/42/44 metros de diámetro, en un cercano futuro y ya en fase de prueba están los generadores de 1500 KW, estos se instalarán en torres de 50 metros de altura (respondiendo a la teoría de la capa límite que expresa que a mayor altura y por debajo de la capa límite la velocidad de los vientos aumenta), el barrido de de la pala poseerá un diámetro de 63 metros.
Distribución del uso de la Energía Eólica en el planeta.
La eficiencia actual lograda en los aerogeneradores ha despertado el interés de numerosas naciones en el uso del viento como un importante productor de energía eléctrica limpia, pero todavía la reducción de los costos es un sueño al que el desarrollo tecnológico futuro tendrá que dar respuesta para hacerse asequible a países del trecer mundo. La inconveniencia del alto capital a invertir, sin lugar a dudas, es apreciable en la distribución de la potencia eólica en el mundo, concentrada en los países desarrollados (ver tabla 1.).
De un total de 17.628 MW generado en el 2000, solo correspondió a los países de Asia, Sur y Centro América, Africa y Oceanía una producción de 1.961 MW, correspondiéndole el 11.1% de la energía eólica aprovechada en los finales del siglo XX.
El liderazgo actual está concentrado en Europa, subcontienente que logró el 73.6% de la potencia eólica mundial en el año antes referido, en esta área geográfica se produjo 12.972 MW.
El restante 15.3% le correspondió a EUA y Canadá. Claro está, detrás de la creación de parques eólicos existen poderosos intereses mercantiles típicos del Capitalismo; en la actualidad las propias compañías eléctricas están mostrando marcado interés por este método de producción.
En la fabricación mundial de aerogeneradores el papel protagónico lo desempeña Europa quien produce el 90% de estos medios instalados en el mundo. Dinamarca se convirtió en el primer país exportador , más de la mitad de los instalados en el mundo proceden de esta nación.
Novedosa experiencia realiza Reino Unido de Gran Bretaña con el emplazamiento de parques eólicos en el mar. Por su parte, Suecia ha decidido el desmantelamiento de sus Centrales Nucleares y busca, con este medio, la generación de electricidad equivalente.
España espera producir para el 2010 el 15% de su energía eléctrica a partir de la energía eólica.
Contrario a esto, en Africa solo Egipto y Marruecos explotan la mencionada energía, mientras que en Oceanía solo lo realizan Australia y Nueva Zelanda.
Capítulo II. Potencial Eólico de la zona costera de la provincia Holguín.
Como bien se ha expresado con anterioridad, el desarrollo de nuevas tecnologías en el ámbito mundial, que posibilitan un óptimo aprovechamiento de la energía eólica con un rendimiento de los aerogeneradores cada vez más cercano al valor teórico del coeficiente de potencia posibilita que con vientos anuales superiores a 17 km/h a 10 metros de altura se originen producciones eléctricas anuales por metro cuadrado de área de barrida superiores a los 1000 kw/h, sustituyendo el consumo de combustibles fósiles. Elemento a tenerse en cuenta dentro de nuestra provincia máxime cuando la política del país está trazada en la defensa del medio ambiente y la búsqueda del soñado desarrollo sostenible.
La estación meteorológica de Punta Lucrecia, representativa del litoral holguinero posee vientos sostenidos durante todo el día, condición que diferencia a este territorio del litoral sur, por cuanto la llegada de los vientos Alisios no se ve afectada por las montañas y además, durante el periodo diurno coincide la dirección del viento con la brisa marina, lo que contribuye a que se alcance una mayor velocidad en los mismos.
Según los resultados obtenidos a partir de la base de datos estudiada, los vientos en Punta Lucrecia son de 17 km/h (5 m/s), condición favorable para obtener energía a partir del viento. El comportamiento de esta variable meteorológica en el área objeto de estudio no se mantiene constante durante todos los meses pues responde a la situación sinóptica que esté incidiendo.
Si apreciamos la información como todo un ciclo promedio ininterrumpido podemos percatarnos que los valores más altos del viento se reportan en los meses metorológicamente conocidos como de la temporada invernal, coincidiendo con el periodo característico del paso de sistemas frontales.
Desde octubre y hasta abril los vientos medios superan los 15 km/h, destacándose noviembre con velocidad de 21 km/h (Gráfico 1), es precisamente en este mes cuando las altas presiones de origen continental intentan desplazar las altas oceánicas de nuestro territorio creándose un gradiente de presión de moderado a fuerte responsable de la situación antes señalada.
El periodo al que hacemos referencia acumula una velocidad promedio de 19 km/h, valor por encima de la norma mínima necesaria para obtener buen aprovechamiento eólico.
El segundo periodo (apreciable en el gráfico 1) está conformado por los meses de mayo a septiembre y posee una velocidad media del viento de 14.1 km/h. Por el bajo valor se dastacan mayo y junio (12.7 y 12.3 km/h respectivamente), desde el punto de vista sinóptico es explicable debido a que en este periodo prevalecen los débiles gradientes de presión causados por la ya pobre influencia de los anticiclones continentales y la lejanía aún del centro de altas presiones Azores–Bermudas. Ambos meses serían los ideales para aprovecharlos en el mantenimiento de los parques eólicos.
En los meses de julio y agosto, motivado por el reforzamiento del anticiclón oceánico y consecuentemente su influencia sobre nuestro país, la velocidad del viento sube y alcanza valores de interés llegando a reportarse 17.km/h en el primero y 15.0 km/h en el segundo.
Nuevamente en septiembre la velocidad del viento decrece, esta vez a 13 km/h, véase que pese a la disminución de la fuerza en mayo junio y septiembre estas nunca descienden de 12 km/h, por lo que es también aprovechable la energía con rentabilidad, aunque con un menor rendimiento.
Un sector económico de esta zona gran consumidor de electricidad es el Turismo, partiendo del análisis anterior puede observarse que coincide el periodo de máximo aprovechamiento con el periodo de máxima demanda por encontrarse el Turismo enfrascado en su temporada alta, elemento de singular importancia como solución estratégica para reducir la carga de “los picos eléctricos” y además como que el turismo que nos visita posee frecuentemente mucho interés por el medio ambiente constituye un atractivo saber que su consumo eléctrico está generado por una fuente renovable de energía.
Utilizando el cálculo de frecuencia mensual del viento nos detuvimos en los resultados que ofrece el análisis partiendo de los días promedio con el establecimiento de calmas o lo que es lo mismo, con velocidad del viento igual a 0.
Como que la energía eólica depende en primera instancia de la fuerza del viento, entoces, el conocimiento promedio de los días con calma se hace necesario para tener una idea más clara de las potencialidades de explotación de este recurso.
El promedio mensual de días con calma es de 5. Precisamente febrero y marzo son los meses que poseen históricamente menor cantidad de periodos con calmas (3 días), mientras que los meses de menor promedio de velocidad del viento (mayo, junio y septiembre) reportan 7 días con viento en calma.
Como que no solo conociendo los días con calmas y los el valor medio histórico (obviamente alterado por los días en que no se reporta viento) nos basta para llegar a la conclusión de las potencialidades existentes en el territorio en función del uso de la energía eólica, se necesita conocer hasta qué punto los vientos cumplen con la condición de encontarse gran parte del tiempo con velocidades superiores a los 4 m/s (+12 km/h) para alcanzar una generación de energía lo más óptima posible.
Procesando los datos obtuvimos que el 65.2% del año (incluyendo las madrugadas) el viento puede ser aprovechado óptimamente; representando 5712 horas en todo el año. Como era de esperar, el periodo octubre-abril se comportó con valores significativos, en este tiempo el 71.4% de los días se mantiene bajo los parámetros anteriormente establecidos. Los meses de noviembre y febrero manifiestan un 76% de los días con velocidades superiores a 12 km/h. (Gráfico 5).
Los cinco meses restantes como promedio peseen el 56.9% de los días aprovechables. Al observar con detenimiento el gráfico anexo nos percatamos que los meses de julio y agosto en conjunto poseen aprovechable el 66.7% de los días.
Como que la demanda energética ni el viento se mantienen estables durante todo el día y a su vez ambos parámetros coinciden en alcanzar sus máximos valores en las tardes y noches realizamos el análisis también dividiendo los días en madrugada- mañana y tarde-noche.
De forma anual el 60.5% de las madrugadas-mañanas es aprovechable, mientras que las tardes noches útiles ocupan el 70.9% de los días (Gráfico 3). Esto nos dice que como promedio alrededor de 221 madrugadas-mañanas y 259 tardes-noches son factibles para la generación de electricidad partiendo de la energía eólica.
La diferencia del comportamiento del viento en los dos periodos está condicionada al comportamiento térmico entre el océano y la tierra firme hacia donde se mueve la brisa marina. Si bien durante el día la brisa marina y el alisio se desplazan en un mismo sentido y con ello se refuerzan, durante el periodo nocturno, producto al rápido enfriamiento de la tierra el terral toma dirección contraria al alisio y avanza debilitado, claro está, cuando existe un flujo sinóptico con gradiente moderado, el terral se ve imposibilitado ante el avance del viento predominante.
Durante las madrugadas-mañanas de noviembre el 71.3% de los días se manifiesta favorable, mientras que en septiembre solo llega al 43.3%.
En el otro periodo los meses de noviembre a abril se manifiestan con óptimas condiciones reportando valioso el 75% de los días, lo que se traduce en un mayor aporte de energía durante el momento que la demande es mayor en el país. En febrero el 82.7% de los días es aprovechable.
Lo expuesto anteriormente nos manifiesta que existe una reducción del viento en diferentes horarios también posible de tener en cuenta.
En el horario de observación de la 1.00 a.m. el valor promedio del viento es de 16.5 km/h durante todo el año, solo se comporta inferior a 12 km/h en mayo (11.4 km/h) y junio (11.9 km/h). En la medida que avanza la madrugada el viento se debilita aún más pero solo se mantienen con valores inferiores a 12 km/h los meses antes mencionados.
Desde la 1.00 p.m. la velocidad del viento aumenta considerablemente, en este horario el promedio es de 18.2 km/h mientras que a las 4:00 p.m. llega a ser de 19.1 km/h, durante este último horario en el mes de noviembre el viento medio alcanza 22.4 km/h. (Gráfico 4)
El análisis de frecuencia nos posibilitó apreciar la dimensión de la dificultad que puede crear el viento en calma en los periodos madrugada-mañana y tarde-noche durante todo el año.
La mayor cantidad de calmas se produce en el horario de la madrugada, lo que hace que el 24.4% de este periodo no pueda aprovecharse, pese a ello, el viento se mantiene en el 75.6% de los casos durante el año.
El horario de mayor potencial eólico se manifiesta en las tardes cuando solo en un 3.4% de las ocasiones no hay presencia del viento.
Por su parte, en la mañana el aire se detiene en el 22.6% de las ocasiones y esto también ocurre en un 12.9% de las veces en el periodo nocturno.
Esta apreciación nos permite concluir que el viento, aunque tenga un debilitamiento en la madrugada es bastante estable durante el ciclo diurno, algo favorable para valorar el potencial eólico pues brinda la posibilidad de obtener energía en la mayor parte de las ocasiones durante el día completo, se destaca a su vez, que la mayor cantidad de calmas ocurre en el horario de menor demanda energética, en la madrugada.
Pero no solo conociendo los días con calma basta para llegar a la conclusión de las potencialidades existentes en el territorio en función del uso de la energía eólica, se necesita conocer si los vientos cumplen los requerimientos de encontrarse gran parte del tiempo por encima de los 4 m/s (12 km/h), para alcanzar una generación de energía lo más óptima posible.
Capítulo III. Aspectos a tratar sobre el impacto ambiental.
La energía eólica no contamina, es inagotable y frena el agotamiento de combustibles fósiles contribuyendo a evitar el cambio climático. Es una tecnología de aprovechamiento totalmente madura y puesta a punto.
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 combustible e incluso con la energía nuclear, si se consideran los costos de reparar los daños medioambientales.
El generar energía eléctrica sin que exista un proceso de combustión o una etapa de transformación térmica supone, desde el punto de vista medioambiental, un procedimiento muy favorable por ser limpio, exento de problemas de contaminación, etc. Se suprime radicalmente los impactos originados por los combustibles durante su extracción, transformación, transporte y combustión, lo que beneficia la atmósfera, el suelo, el agua, la fauna, la vegetación, etc.
La utilización de la energía eólica para la generación de electricidad presenta nula incidencia sobre las características fisicoquímicas del suelo o su erosionabilidad, ya que no se produce ningún contaminante que incida sobre este medio, ni tampoco vertidos o grandes movimientos de tierras.
Al contrario de lo que puede ocurrir con las energías convencionales, la energía eólica no produce ningún tipo de alteración sobre los acuíferos ni por consumo, ni por contaminación por residuos o vertidos. La generación de electricidad a partir del viento no produce gases tóxicos, ni contribuye al efecto invernadero, ni a la lluvia ácida. No origina productos secundarios peligrosos ni residuos contaminantes. 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)
La electricidad producida por un aerogenerador evita que se quemen diariamente miles de kilogramos de lignito negro en una central térmica. Ese mismo generador produce idéntica cantidad de energía que la obtenida por quemar diariamente 1.000 Kg. de petróleo. Al no quemarse esos Kg. de carbón, se evita la emisión de 4.109 Kg de CO2, lográndose un efecto similar al producido por 200 árboles. Se impide la emisión de 66 Kg de dióxido de azufre (SO2) y de 10 Kg. de óxido de nitrógeno -NOx- principales causantes de la lluvia ácida. (Ver Tabla 2).
La energía eólica se obtiene en forma mecánica y por tanto es directamente utilizable. Al finalizar la vida útil de la instalación, el desmantelamiento no deja huellas.
Otra de las ventajas que ofrece la utilización de este recurso para la generación de electricidad es apreciable al comparar esta con diferentes fuentes de energía. Si compararáramos la generación de una misma cantidad de MW con diferentes fuentes incluyendo hasta los contaminantes emitidos durante el periodo de construcción del equipo obtuviésemos que mientras una Central Termoeléctrica envía 1058,2 toneladas de CO2, en fin un total de 1066,1 toneladas de partículas, utilizando energía eólica solo se emitirían 7,4 toneladas de CO2, todo en el periodo de construcción (Ver tabla 3).
Pese a las bondades anteriores posee algunas desventajas:
- El aire al ser un fluido de pequeño peso específico, implica fabricar máquinas grandes y en consecuencia caras. Su altura puede igualar a la de un edificio de diez o más plantas, en tanto que la envergadura total de sus aspas alcanza la veintena de metros, lo cual encarece su producción.
- Desde el punto de vista estético, la energía eólica produce un impacto visual inevitable, ya que por sus características precisa unos emplazamientos que normalmente resultan ser los que más evidencian la presencia de las máquinas (cerros, colinas, litoral). En este sentido, la implantación de la energía eólica a gran escala, puede producir una alteración clara sobre el paisaje, que deberá ser evaluada en función de la situación previa existente en cada localización.
- Un impacto negativo es el ruido producido por el giro del rotor, pero su efecto no es mas acusado que el generado por una instalación de tipo industrial de similar entidad, y siempre que estemos muy próximos a los molinos.
- También ha de tenerse especial cuidado a la hora de seleccionar un parque si en las inmediaciones habitan aves, por el riesgo mortandad al impactar con las palas, aunque existen soluciones al respecto como pintar en colores llamativos las palas, situar los molinos adecuadamente dejando “pasillos” a las aves, e, incluso en casos extremos hacer un seguimiento de las aves por radar llegando a parar las turbinas para evitar las colisiones.
Debido a la existencia de ventajas y desventajas desde el punto de vista ambiental se hace necesario un estudio de impacto que recoja estos elementos, por lo que proponemos ciertas condiciones a tenerse en cuenta para el referido estudio.
Aspectos a tratar en el Estudio de Impacto Ambiental (EIA)
Como que el estudio pretende analizar y minimizar la incidencia sobre el medio ambiente que se generaría con la construcción de un parque eólico proponemos que este debe contemplar las cuatro fases de su vida:
¨ Antes de la instalación.
¨ Durante las obras.
¨ Durante la explotación.
¨ Después del abandono de la misma.
También el impacto se valorará en función de:
¨ El emplazamiento elegido.
¨ Tamaño de la instalación.
¨ Distancia de áreas sensibles (asentamientos poblacionales y áreas protegidas)
En este caso es muy necesario el estudio de impacto antes de concebir el parque eólico pues esto permitiría ajustar los requisitos del estudio. De igual forma al finalizar las obras de la instalación y durante la explotación se deberán realizar informes periódicos.
Cuando se termine la vida del estudio. De igual forma al finalizar las obras de la instalación y durante la explotación se deberán realizar informes periódicos.
Cuando se termine la vida útil de los aerogeneradores (25 – 30 años), y en caso de no continuar con la actividad se retirarán los molinos y se revegetará el hueco, quedándose únicamente la zapata y los cables enterrados.
Ruido
El estudio ha de indicar los niveles de ruido de la instalación, condición que viene garantizada por el fabricante.
El ruido de la instalación viene dado por el movimiento mecánico que generan el multiplicador y el generador y por el roce del viento con las palas.
El sonido del multiplicador vendrá influenciado por la calidad de los materiales, su acabado y tratamiento superficial de los materiales. El generador hace el mismo ruido que cualquier otra instalación eléctrica. Estos elementos pueden ser silenciados con materiales aislantes en las capotas o carcasas.
El viento es un elemento transmisor de ruido y en función de la posición que tengamos respecto a los molinos puede ser más o menos intenso, los asentamientos poblacionales deben estar ubicados respecto al parque eólico en función de esta característica.
Puede destacarse que algunos animales que se necuentran dentro de los parques al arrancar se sorprenden, pero en pocos minutos se vuelven a acostumbrar.
Erosión
Los mayores impactos ocurren durante el movimiento de tierra debido a la construcción de carreteras y pistas, enterramiento de cableado, cimentación de los aerogeneradores y los soportes de las líneas de tensión y la construcción de edificaciones.
Las carreteras y las pistas interiores del parque deben ser mínimas, han de cubrirse las zonas no utilizadas con tierra vegetal recogidas antes y luego repoblar en su estado original, al igual que las zonas del cableado. Siempre debe intentarse afectar el mínimo de suelo y la vegetación.
La cimentación se cubrirá inmediatamente con la tierra original ocultando la zapata de hormigón.
Es necesario establecer los caminos a sotavento del parque , asi como establecer canales de descarga de agua para evitar la pérdida de la capa vegetal.
Al finalizar la instalación de los molinos se ha de iniciar el plan de revegetacion y recuperación de suelos, con la siembra de especies de crecimiento rápido y autóctonos.
Avifauna
El estudio deberá reflejar la presencia y el paso de aves, así como un inventario de especies. En los informes de vigilancia ambiental se ha de indicar las colisiones, el efecto de los molinos en la población de la fauna (desaparición, cambio de hábitats, etc...)
La mortalidad suele ser por colisión (con las palas o aspas) y por electrocución (con las líneas de alta tensión).
En el caso de la colisión con las palas, las aves suelen acostumbrarse a las palas evitando su trayectoria, incluso las aves migratorias. Se estudiaron durante mucho tiempo soluciones como pintar de colores llamativos las palas y sus extremos. También se experimentó con la utilización de un radar en el parque para evitar la colisión de aves migratorias.
Con las líneas de alta tensión el problema es más importante. Por una parte se producen impactos al no ver en pleno vuelo los cables, esto se evita con elementos que destaques las líneas cono; Cintas, balones, espirales, etc. También han de colocarse cuidadosamente las líneas en paralelo con las líneas de aerogeneradores haciendo corredores por donde puedan pasar las aves. En algunos casos se puede a llegar e enterrar los cables en caso necesario.
Respecto a la electrocución varía en función del tamaño de las aves, de la distribución geográfica y su comportamiento. Y en mayor medida de las características de la línea. La muerte de las aves ocurre por contacto a dos conductores y por contacto de conductor a tierra. Las líneas de menos de 45 KV suelen ser las peores por la proximidad de los conductores. Para este problema existe legislación proteccionista aplicable a la líneas aéreas que obliga a modificar el diseño de los apoyos y a la instalación de salvapájaros.
El impacto es muy pequeño en comparación con las causas naturales. Se da el caso incluso de nidos de aves en las torres de los aerogeneradores.
Paisaje
Para minimizar el impacto paisajístico se deben emplear correcciones en la instalación:
¨ Colores adecuados
¨ Torres de celosía
¨ Evitar la visión de los molinos desde lugares o de paso
¨ Las instalaciones y los molinos deben integrarse al paisaje del entorno.
¨ Los accesos a los molinos y al parque han de ser los mínimos posibles, intentando aprovechar los ya existentes.
En la actualidad los aerogeneradores se hacen lo más pequeños posible y se pintan con colores que no perturben el paisaje.
Las edificaciones auxiliares (centro de control, talleres, centro de transformación) se posicionan en zonas no visibles ocultándose en la vegetación existente. Sus elementos y colores siguen los patrones de las construcciones próximas.
Medio socio-cultural y socio-económico
Las alteraciones en el medio socioeconómico son muy importantes y positivas:
¨ Se generan puestos de trabajo.
¨ Se realizan infraestructuras estables (caminos, líneas eléctricas).
¨ Los terrenos afectados son compatibles con otras actividades (ganadería, agricultura).
La opinión de los habitantes de los terrenos colindantes es muy importante, por ello es muy importante las encuestas entre los afectados para valorar o aprobar la instalación de varios parques
Es interesante hacer partícipes a los vecinos del pueblo, no solo en el terreno económico, también se procurará explicar las características de estas instalaciones. El montar el aerogenerador es siempre todo un espectáculo, con lo que suele haber varias personas del pueblo observando la evolución de las obras.
También se puede cultivar la tierra que no está ocupada por las torres ni las pistas. En muchos parques es posible ver junto al aerogenerador que las tierras labradas lo siguen estando cuando funcionan los molinos, que los animales siguen pastando sin mayor problema y que los vecinos del pueblo paseen mientras los aerogeneradores están produciendo electricidad.
Conclusiones
1. Los avances tecnológicos en la aerodinámica, unido a la crisis de combustible y la necesidad de vivir en un mundo más sostenible ha mostrado que la energía eólica es una fuente natural de grandes oportunidades.
2. Los costos necesarios para la instalación de parques eólicos constituye la principal causa de la diferenciación en el uso de esta energía entre países desarrollados y en desarrollo.
3. El comportamiento diario y anual del viento en el litoral holguinero muestra potencialidades para su explotación que satisfaga intereses de las comunidades aisladas y en mayor grado la creación de parques eólicos de baja y moderada potencia.
4. Pese a las bondades del viento para la producción de energía limpia se requiere de un estudio de impacto ambiental (EIA) capaz de mitigar los efectos negativos que se pudieran generar desde su construcción hasta su desmantelamiento.
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