Diagnóstico técnico-económico para la rehabilitación del sistema

DIAGNOSTICO TECNICO ECONOMICO PARA LA REHABILITACIÓN DEL
SISTEMA DE AEROGENERACIÓN DEL PARQUE NACIONAL NATURAL
CORALES DEL ROSARIO
CLAUDIA MARCELA BALLEN VARGS
CARLOS ALEJANDRO VELASQUEZ ROSAS
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
INGENIERIA ELECTRICA
BOGOTÁ D.C
2006
TABLA DE CONTENIDO
1.
INTRODUCCIÓN
6
1.1.
1.2.
1.3.
1.3.1.
1.3.2.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
TEMA
PROBLEMA
OBJETIVOS
Objetivo General
Objetivos Específicos
HIPÓTESIS
DELIMITACIÓN
METODOLOGÍA
ALCANCES Y LIMITACIONES
6
6
7
7
7
7
8
8
9
2.
PARQUE NACIONAL
ROSARIO
DEL
10
2.1.
2.1.1.
2.2.
2.2.1.
2.2.2.
2.2.3.
2.4.
2.4.1.
2.3.2.
2.4.3.
2.4.4.
2.5.
2.6.
2.6.1.
2.6.2.
10
11
12
12
12
12
13
13
13
13
13
13
13
14
14
2.7.
UBICACIÓN
Isla Tesoro
VIAS DE ACCESO
Ruta Terrestre
Ruta Marítima
Ruta Aérea
DESCRIPCIÓN DEL ÁREA
Ecosistemas
Fauna
Vegetación
Clima
HISTORIA
DIVERSIDAD BIOLÓGICA
Conservación del área
Procesos o proyectos estratégicos desarrollados en la
zona
REGIMEN DE VIENTOS EN LA BAHIA DE CARTAGENA
3.
ENERGÍA EÓLICA
21
3.1.
3.2.
3.2.1.
3.3.
3.3.1.
3.3.2.
DEFINICIÓN
HISTORIA DE LA ENERGÍA EÓLICA
Energía Eólica en Colombia
FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LA ENERGÍA EÓLICA
Velocidad del viento
Energía
eólica
realmente
utilizable
por
los
aerogeneradores
21
22
23
25
25
26
NATURAL
CORALES
15
DIAGNOSTICO TECNICO ECONOMICO PARA LA REHABILITACIÓN DEL
SISTEMA DE AEROGENERACIÓN DEL PARQUE NACIONAL NATURAL
CORALES DEL ROSARIO
CLAUDIA MARCELA BALLEN VARGS
CARLOS ALEJANDRO VELASQUEZ ROSAS
Director
FABIO ALDANA MÉNDEZ
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
INGENIERIA ELECTRICA
BOGOTÁ D.C
2006
Nota de Aceptación
Director del proyecto
Ing. Fabio Aldana
Jurado
Ing. Fernando Gómez Gómez
Jurado
Ing. Julio César García
Bogotá D.C, 23 de agosto de 2006
Ni la universidad, ni el director del proyecto, ni el jurado calificador,
Son responsables de las ideas expuestas por los graduandos
A Dios por la fé,
A mi mamá por su apoyo confianza y amor
A mi abuelita por su entrega, amor y sabiduría
A mi hermanita por su ternura y amistad
Claudia Marcela Ballén Vargas
2
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
3.4.
3.4.1.
3.4.2.
3.4.3.
3.5.
3.6.
3.6.1.
3.6.2.
3.7.
3.7.1.
4.
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
MÁQUINAS EÓLICAS
Funcionamiento de un sistema de aerogeneración
Control de Potencia en los aerogeneradores
Aerogeneradores de eje horizontal
VENTAJAS ECONÓMICAS DE LA APLICACIÓN DE LA
ENERGÍA EÓLICA.
CONSIDERACIONES
AMBIENTALES
EN
LA
APLICACIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA
Energía y Medio Ambiente
Ventajas Medio Ambientales
POSICIÓN AMBIENTAL GLOBAL FRENTE A LA
ENERGÍA EÓLICA
Desventajas de la energía eólica
27
28
32
32
34
DIAGNÓSTICO TÉCNICO-ECONÓMICO PARA LA
REHABILITACÓN
DEL
SISTEMA
DE
AEROGENERACIÓN
DEL
PARQUE
NACIONAL
NATURAL CORALES DEL ROSARIO
41
35
35
37
37
39
MARCO METODOLÓGICO DEL PROYECTO
41
INVENTARIO DE EQUIPOS
41
ANALISIS DEL SISTEMADE AEROGENERACIÓNPARA 42
DETERMINAR
SU
SALIDA
DE
FUNCIONAMIENTOACTUALMENTE
DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS ENCONTRADOS EN LA 43
4.4.
ISLA
43
4.4.1. Planta Diesel
Sistema de orientación
44
4.4.2
Generador
45
4.4.3
Torre
46
4.4.4.
Soporte y tensores
46
4.4.5
47
4.4.6. Conductores
48
4.4.7. Casa Control
Inversor
48
4.4.8
49
4.4.9. Baterías
49
4.4.10. Transformador
50
4.4.11. Instalaciones eléctricas dentro de la cabaña
PRUEBA A EQUIPOS
51
4.5.
Pruebas
a
baterías
51
4.5.1
Pruebas a Aerogenerador
54
4.5.2
Pruebas
Inversor
61
4.5.3.
4.1.
4.2.
4.3.
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
3
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FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
ANÁLISIS DE COSTOS
63
COSTO DE LA ENERGÍA GENERADA POR EL VIENTO
Costo de capital producido por energía eólica
Costos de operación y mantenimiento
Costo por reposición de equipos
COMPARACIÓN BENEFICIO/COSTO
Total ingresos
Total egresos
CRITERIO DE TOMA DE DECISIONES
Valor presente neto
Tasa interna de retorno
64
64
66
66
67
67
67
68
68
69
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
70
RECOMENDACIONES
72
BIBLIOGRAFÍA
74
5.
5.1.
5.1.1
5.1.2.
5.1.3
5.2.
5.2.1
5.2.2.
5.3
5.3.1.
5.3.2.
6.
6.1
RELACIÓN DE FIGURAS
FIGURA 1
FIGURA 2
FIGURA 3
FIGURA 4
FIGURA 5
FIGURA 6
FIGURA 7
FIGURA 8
FIGURA 9
FIGURA 10
ISLA TESORO
MAPA DE CORALES DEL ROSARIO
VARIACIÓN MENSUAL DE VIENTOS AEROPUERTO RAFAEL
NUÑEZ
ROSA DEL VIENTO MENSUALES –ESTACIÓN SINÓPTICA
DEL CIOH
PASOS PRINCIPALES EN EL PROCESO DE CONVERSIÓN
DE LA ENERGIA DEL VIENTO A ELÉCTRICA
PÉRDIDA DE EFICIENCIA QUE SE PRODUCE EN CADA
PASO
PARTES DE UNA BATERÍA
FUNCIONAMIENTO DE UN AEROGENERADOR
SISTEMAS DE EJES DE UN AEROGENERADOR
COMPARACIÓN DE EMISIONES DE CO2 SEGÚN EL TIPO DE
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
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FIGURA 11
FIGURA 12
FIGURA 13
FIGURA 14
FIGURA 15
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ENERGÍA
PRUEBAS DE AISLAMIENTO
PRUEBA SURGE COMPARATIVA DE IMPULSO
CURVA INDICE DE POLARIZACIÓN ESTATOR WHISPER
FACTOR DE CARGA PARA AEROGENERADORES
FLUJO DE FONDOS
RELACIÓN DE TABLAS
TABLA 1
TABLA 2
TABLA 3
TABLA 4
TABLA 5
ESCALA DE BEAUFORT
CORRESPONDENCIA ENTRE VELOCIDADES MEDIDAS Y LA
PRODUCCIÓN
INVENTARIO DE EQUIPOS
INVENTARIO DE INSTALACIONES EN LAS CABAÑAS
COSTOS ARREGLO AEROGENERADOR
RELACIÓN DE FOTOGRAFÍAS
FOTOGRAFÍA 1
FOTOGRAFIA 2
FOTOGRAFIA 3
FOTOGRAFÍA 4
FOTOGRAFÍA 5
FOTOGRAFÍA 6
FOTOGRAFÍAS 7 Y 8
FOTOGRAFÍAS 9 Y 10
FOTOGRAFÍA 11
FOTOGRAFÍA 12
FOTOGRAFÍA 13
FOTOGRAFÍA 14
FOTOGRAFÍAS 15 Y 16
FOTOGRAFÍA 17
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
PLANTA DIESEL
SISTEMA BARLOVENTO
ASPAS
GENERADOR
GENERADOR
TORRE
SOPORTES Y TENSORES
CONDUCTORES
CASA DE CONTROL
INVERSOR
BATERÍAS
TRANSFORMADOR
INSTALACIONES
PRUEBA DE DESCARGA
INTESA
A
LAS
CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
5
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BATERIAS
MEDICIÓN DE TENSIÓN A LAS BATERIAS
CONDICIÓN
DE
LLEGADA
DEL
AEROGNERADOR AL SITIO DE PRUEBAS
FOTOGRAFÍA 18
FOTOGRAFÍA 19
RELACIÓN DE PROTOCOLOS
PROTOCOLO 1
PROTOCOLO 2
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
PRUEBAS DE AEROGENERADOR
PRUEBAS DE RECEPCIÓN CON REGISTRO
FOTOGRÁFICO
CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
6
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1. INTRODUCCIÓN
En la actual coyuntura de crisis económica y social por la que atraviesa el país,
la posibilidad de acceder a una fuente de energía tradicional y confiable para
abastecer la demanda requerida en el Área del Sistema de Parques Nacionales
de Corales del Rosario es muy lejana. Analizando las características de la zona
en que se encuentra ubicado en el parque, el acceso a la interconexión no es
posible, en primer lugar, por que es un área natural ubicada en un sitio lejano a
Cartagena y el acceso solamente es marítimo, y en segundo lugar, por los altos
costos que representa, situación que motivó a que se aprovechara el abundante
recurso eólico de la zona debido a su ubicación costera, para la generación de
energía eléctrica a través de sistema de aerogeneración que permitiera
satisfacer la demanda en el Parque Nacional Natural Corales del Rosario.
La presente investigación busca identificar el estado actual de los equipos de
generación eólica e identificar los daños ocasionados por el tiempo, la falta de
mantenimiento o mal uso de éste, que ha causado que el sistema actualmente
este fuera de servicio. Lo anterior con el fin de lograr su rehabilitación, mejorar
la eficiencia y confiabilidad del suministro de energía para el parque, con
respecto a otras fuentes de generación utilizadas actualmente.
1.1. TEMA:
Diagnóstico técnico-económico para la rehabilitación del sistema de
aerogeneración del parque nacional natural Corales del Rosario
1.2. PROBLEMA.
El sistema de aerogeneración presente en el parque, se encuentra actualmente
en mal estado y fuera de servicio, se debe planear la rehabilitación, partiendo
de un análisis económico determinando la viabilidad de este proyecto; en el
análisis técnico se requiere conocer la potencia a generar, carga instalada,
estudio de impacto ambiental y la demanda de la zona ya que de esto
dependen las especificaciones de los elementos adecuados que conforman el
sistema y estudiar la complementariedad para la generación de energía con
otras fuentes alternas de energía.
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
7
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En el análisis económico, entre otros aspectos, se tendrá en cuenta el estado
de los equipos del sistema y si se requiere la adquisición de otros, lo cual se
observará en el transcurso de las visitas al Parque.
1.3. OBJETIVOS:
1.3.1. Objetivo General:
Realizar el estudio técnico económico y la viabilidad para la rehabilitación del
sistema de aerogeneración del Parque Nacional Natural Corales del Rosario.
1.3.2. Objetivos Específicos:
Realizar un estudio de la aplicación de la energía eólica en Colombia y en
particular en el parque Corales del Rosario.
Hacer una descripción de todos los elementos y dispositivos que componen el
sistema de aerogeneración del PNN Corales del Rosario.
Analizar los principios de generación a partir del recurso eólico.
Realizar un diagnóstico y evaluación de los elementos y dispositivos del
sistema.
Identificar los parámetros técnicos y económicos para su rehabilitación y puesta
en operación del sistema.
Enunciar alternativas de solución y recomendaciones generales.
1.4. HIPÓTESIS:
Si la energía en este milenio juega un papel muy importante en las diferentes
actividades que desarrollan en las Áreas del Parque Nacional Natural Corales
del Rosario, especialmente como materia prima para programas de
investigación, educación ambiental, comunicaciones, ecoturismo y calidad de
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
8
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vida para los funcionarios y usuarios, entonces es de gran importancia el
manejo de una fuente renovable para la generación de energía eléctrica, la cual
su impacto ambiental sea bajo y su rentabilidad económica y social sea alta.
1.5. DELIMITACIÓN
Esta investigación será realizada en el Parque Nacional Natural Corales del
Rosario en el Mar Caribe colombiano, a 45 kilómetros al suroeste de la bahía
de Cartagena, con una extensión de 19.506 hectáreas. Es un sitio visitado
diariamente por turistas, por esto es necesario abordar dicho problema para ser
implementado bajo los requerimientos de demanda de energía de la zona.
Este trabajo se enfocará en la generación de energía eléctrica con la adopción
de aerogeneradores, y su impacto socio-económico y ambiental en este Parque
Natural.
1.6. METODOLOGÍA:
Para el desarrollo de este proyecto de grado se seguirá el siguiente
procedimiento metodológico:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Reconocimiento del sistema de aerogeneración del Parque Nacional
Natural Corales del Rosario y su actual estado a través de visitas
técnicas.
Análisis del sistema de aerogeneración para determinar la causa del
problema y su salida de funcionamiento.
Consultas y asesorías pertinentes en el tema.
Determinar la demanda de energía del Área del Sistema
Realizar un diagnóstico del estado de los equipos de dicho sistema
Recolectar la información existente sobre oferta del recurso eólico en la
zona objeto del proyecto
Investigación sobre fuentes alternas de energía.
Costos de la rehabilitación
Paralelo a estas actividades se realizará la elaboración de la monografía.
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1.7. ALCANCES Y LIMITACIONES:
Una vez conocida la composición y ubicación del sistema actual de
aerogeneración del Parque Nacional Natural Corales del Rosario, como son los
equipos, sus características y sus posibles daños, se realiza una valoración de
cada uno de ellos, como también los elementos que conforman el sistema entre
los cuales se encuentran los elementos objeto de este estudio que son las
protecciones eléctricas, elementos mecánicos, la velocidad del viento de la
zona, entre otras.
Dentro del alcance de este proyecto está conocer la interacción entre la
velocidad del viento y la potencia en este Parque. Por la ubicación geográfica,
durante el año existe afluencia de vientos, lo cual favorece en el movimiento
de las aspas de los aerogeneradores y la optimización de la generación de
electricidad.
La principal limitación, es el poco conocimiento en general, de los equipos y
manejo de los sistemas de aerogeneración ya que es una tecnología
recientemente adoptada en el país.
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CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
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2. PARQUE NACIONAL NATURAL CORALES DEL ROSARIO
Extensión: 120.000 hectáreas.
Año de creación: 1977.
2.1. UBICACIÓN
El sitio en el cual se realizará la rehabilitación del sistema de aerogeneración,
es en la Isla Tesoro, ubicada en el Parque Nacional Natural Corales del
Rosario. Seleccionado para la instalación de dicho sistema, gracias a las
características topográficas de la zona.
El Parque Nacional Natural Corales del Rosario y San Bernardo se encuentra
situado en una de las áreas de mayor diversidad faunística del mundo; está
conformado por 43 islas, hay 54 kilómetros de profundidades cubiertas de coral
y que van desde uno hasta 30 metros. Este parque cubre alrededor de 20
hectáreas y se encuentra ubicado a 40 kilómetros de Cartagena.
El Parque Nacional Corales del Rosario está demarcado por la línea más alta
de mareas que se encuentra alrededor de la isla de Barú, el archipiélago de
Nuestra Señora del Rosario y los 50 mts de profundidad, mar afuera.
Comprende además el área de la Isla del Rosario, sus islotes adyacentes y la
Isla del Tesoro.
2.1.1. Isla Tesoro:
El nombre de Isla del Tesoro no es casual. Hay una fortuna de por medio, ya
que en este sitio se encuentra ubicada la casa de descanso presidencial. El
gobierno nacional la declaró, junto a otras 30 islas, islotes y cayos del
Archipiélago del Rosario y San Bernardo, uno de los patrimonios naturales más
valiosos del país. En contados lugares del mundo se consiguen las 55 especies
de coral, los manglares y la vida submarina que allí sobrevive, a sólo 45
kilómetros de Cartagena.
Su belleza es conmovedora, pero su fragilidad ante la presencia humana es
sobrecogedora. Por esta razón desde 1968 el Estado ha tratado de mantenerla
a salvo de la voracidad turística., pero a pesar de ello las Leyes y resoluciones
no han servido de mucho; Las islas se sobre poblaron y se convirtieron en
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CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
11
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exclusivos centros vacacionales. En 1977, cuando la zona fue declarada
Parque Nacional Natural Los Corales del Rosario, apenas quedaron a salvo isla
Rosario y la ahora famosa Isla del Tesoro.
En la Isla se encuentran dos cabañas de las cuales una permanece la mayoría
de tiempo deshabitada. Su territorio está situado en una zona descubierta en la
cual el viento sopla a lado y lado de la isla, siendo este un beneficio para la
aplicación de un sistema de aerogeneración.
FIGURA 1. Isla Tesoro
2.2. VÍAS DE ACCESO
2.2.1. Rutas Terrestres: Cartagena vía Mamonal, pasando por Pasacaballos
donde se toma un ferry para atravesar el Canal del Dique y luego continuar por
carretera destapada hasta Playa Blanca o al poblado de Barú. Por carretera sin
pavimentar hasta el sector Playa Blanca en Barú. Cartagena-Tolú.
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Figura 2: Mapa de Corales del Rosario
2.2.2. Ruta Marítima: De Cartagena 1 ó 2 horas en lancha rápida, según sea a
San Bernardo o Rosario respectivamente.
Del poblado de Barú a las Islas del Rosario 20 minutos. De Tolú a la Isla de San
Bernardo 1hora.
2.2.3. Rutas Aéreas: Bogotá- Cartagena 45 minutos
2.4. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA
2.4.1. Ecosistemas: Humedales, manglares, fondos sedimentarios, litorales
rocosos, playas arenosas, praderas de pastos marinos, arrecifes de coral,
formaciones xerofíticas y subxerofiticas,
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2.4.2. Fauna: Dentro de su área se han identificado no menos de 52 especies
de corales, 125 especies de protozoarios y foraminíferos y 45 especies de
esponja, 197 especies de moluscos; cangrejos, almejas, ostras y pulpos; 170
crustáceos, como camarones de arrecife, langostas y cangrejos ermitaños; 132
especies de celenterados, entre ellos medusas y falsos corales; 35 especies de
equinodermos como estrellas de mar, erizos y pepinos de mar, y 215 especies
de peces. En aves marinas se ha detectado 31 especies, destacándose el
tijeras, el pelícano o alcatraz y el pájaro bobo.
2.4.3. Vegetación: En su flora se destacan 113 especies algas planctónicas y
el manglar rojo. Sus Manglares, arrecifes coralinos y praderas tanto de puntos
marinos como de algas, conforman uno de los conjuntos florísticos y faunísticos
más diversos y productivos del planeta. Son un medio propicio para el
crecimiento de algas, anidación de aves y levante de muchas especies
marinas.
2.4.4. Clima: Cálido, La temperatura va desde 27°C hasta 30°C en promedio.
2.5. HISTORIA
La historia de esta zona coralina está ligada a la de las islas cercanas y la de la
bahía de Cartagena. Según crónicas de los conquistadores, todas las islas del
caribe estaban habitadas por indígenas de la familia Karib, pero las desalojaron
porque constituían presa fácil para los conquistadores. Después fueron
ocupadas por cimarrones y esclavos fugitivos en el siglo XIX. Desde la década
de los 50 se inició la colonización urbana que se intensificó en los años 60 y 70.
2.6. DIVERSIDAD BIOLOGICA
La estructura coralina actual esta formada por cinco categorías principales de
componentes bentónicos básicos: corales (40,9%), algas (32,5%), sustrato
abiótico (19,5%), esponjas (6,1%) y otros macroinvertebrados bentónicos
(anémonas, zoantideos, ascidias, 1%). A partir de la información colectada se
observa una tendencia al aumento en la cobertura coralina viva desde los
arrecifes más cercanos a la ciudad (Barú) hacia el área del Parque (Tesoro) y
una disminución en la misma dirección en cuanto a la cobertura de algas y
esponjas. Este patrón ya ha sido observado anteriormente por varios autores,
quienes han sugerido la existencia de un gradiente de contaminación orgánica
desde las bahías más influenciadas por actividades antropogénicas (Cartagena)
hacia las Islas ubicadas al norte del Parque Nacional Natural Corales del
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Rosario (Isla Rosario y Tesoro), como una de las principales causas de dicho
patrón.
Por su parte, los análisis preliminares temporales muestran la presencia de una
reducción drástica en la cobertura coralina viva en la década de los 80s y un
leve aumento en la década de los 90s que se ha mantenido hasta la actualidad.
Lo anterior sugiere que pueden existir eventos a nivel local, de origen natural
y/o antrópico, que pueden estar ocasionando alteraciones en los procesos al
interior del sistema, dando como resultado la reducción en la cobertura coralina
viva y el deterioro general del ecosistema.
2.6.1. Conservación del área
Se buscan los objetivos para la preservación de los parques nacionales
naturales:
•
•
•
Conservar áreas naturales poco intervenidas para la realización de
investigaciones científicas, actividades recreativas y educación
ambiental.
Proteger espacios productores de bienes y servicios ambientales.
Preservar los ecosistemas marinos tropicales y la riqueza ecológica de
los bosques de manglar, las praderas de pastos marinos y las
formaciones coralinas.
2.6.2. Procesos ó proyectos estratégicos desarrollados en la zona
En la actualidad habitan la zona grupos afro colombianos con tradiciones
culturales arraigadas, pero cuyas necesidades los han obligado a hacer uso
indebido de los recursos naturales.
Hoy el Parque Nacional natural se encuentra adelantando un ambicioso
proyecto de educación ambiental que busca la sensibilización de los grupos
nativos habitantes de las Islas, sobre la conservación de los escasos recursos
con que cuentan y la protección de los arrecifes de coral. También la educación
de los visitantes que llegan a la zona es de vital importancia dados los efectos
negativos que en los últimos años la actividad turística ha generado sobre el
área.
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2.7. RÉGIMEN DE VIENTOS BAHÍA DE CARTAGENA
Se realizó el análisis en la bahía de Cartagena, ya que no se encuentra
promedios de vientos en Isla Tesoro, debido a que no hay central meteorológica
cerca.
FIGURA 3. Variación Mensual del viento Aeropuerto Rafael Núñez.
Fuente: RODRÍGUEZ, H. Situación energética de la Costa Atlántica - Vol. 13 –
Energía eólica - 2a Edición corregida. Barranquilla: PESENCA 1.989
En general podría decirse que el régimen de vientos que gobierna el Caribe
tropical, específicamente los vientos Alisios del Este en el hemisferio Norte,
tienen influencia en el área de Cartagena, sin embargo, existen corrientes
locales, topografía y condiciones marítimas propias que hacen que dicho
régimen zonal sea muy particular en el área de estudio. Mediciones de
comportamiento del viento en la vertical mediante el uso de globos piloto en el
CIOH (Centro de Investigación Oceanográficas e Hidrográficas), han
demostrado el comportamiento del viento en la bahía, siendo su promedio anual
de velocidades de 5 a 6m/s en las horas de la mañana en el Sureste y del
Noreste al medio día y tarde, aumentando su velocidad hasta los 9m/s en época
normal sin eventos cálidos o fríos, marcándose los efectos de brisa de mar y
tierra. Se tomó como promedio de velocidad de vientos mínimos en Cartagena
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4 m/s, ya que para un sistema de aerogeneración pequeño, esta velocidad es
suficiente para su desempeño. Aplicando la fórmula de potencia del viento:
1
pV 3 (W / m 2 )
2
1
= (1,2kg / m 3 )(4m / s) 3
2
= 38,4W / m 2
Pviento =
Pviento
Pviento
FUENTE: Manual de Aplicación de la Energía Eólica (Ministerio de Minas y
Energía - Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternas)
Donde:
Pviento es la Potencia del viento (vatios/metros2).
p
es la densidad del viento a nivel del mar (Kilogramos/metros3).
V
es la velocidad promedio de los vientos en Cartagena (metros/segundo)
La potencia eólica teórica mínima utilizada en Cartagena es de 38,4W/m2, esto
indica que es viable la utilización de un sistema de aerogeneración en la zona.
A continuación se hace una descripción del régimen mensual de vientos,
obtenido del informe meteorológico mensual efectuado por el CIOH para el año
2004 y los porcentajes de estas velocidades obtenidas con respecto al año
anterior.
Enero: El viento durante este mes tuvo una mayor tendencia del norte con un
porcentaje de 29.2% y al noreste en un 17.9% con velocidades promedios entre
4 y 7 nudos1. Este parámetro durante este mes observó un cambio muy ligero
hacia el oeste con un predominio de un 8.9% con velocidades promedio de 4 a
7 nudos.
Febrero: Durante el mes de febrero este parámetro se comportó de una
manera similar al mes anterior aumentando su predominio en dirección norte,
obteniendo un porcentaje del 50.8% y una disminución en la dirección noreste
con un predominio en un 11.3%, conservando las velocidades promedio entre 4
y 7 nudos, con aumento en las velocidades entre 12 a 15 nudos
1nudo=0,56 m/s
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CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
17
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.
Marzo: El viento en el transcurso de este mes tuvo una tendencia del norte con
un porcentaje del 37.58%, del nor-noreste en un porcentaje del 18.43% y del
noreste con un porcentaje del 14.18%, continuando con una velocidad promedio
de 4 a 7 nudos con incrementos predominantes entre 8 y 11 nudos.
Abril: La dirección y velocidad del viento tuvo un comportamiento muy parecido
al mes de marzo con un predominio constante en dirección norte del 31.28%,
en dirección nor-noreste del 20.24% y en dirección noreste en un 14.72%, con
velocidades predominantes en un 40.48% de 4 a 7 nudos y aumento en las
velocidades de 8 a 11 nudos con un promedio del 15.95%.
Mayo: Durante este mes el viento en superficie tuvo un ligero cambio en
dirección sur con un promedio muy débil del 11.53%, y velocidades de 4 a 7
nudos. De igual manera que los meses anteriores la dirección del viento
continuó en dirección norte con un promedio del 30.7% con velocidades de 2 a
3 nudos en un 11.53% y de 4 a 7 nudos en un 17.94% y con muy poco
incremento en sus vientos.
Junio: El viento tuvo un comportamiento norte en un 32.92% con velocidades
en diferentes intensidades, de 2 a 3 nudos en un 13.41%, de 4 a 7 nudos en un
7.3%, de 8 a 11 en un 8.5% y de 12 a 15 en un 3.6%. El predominio en
dirección noreste disminuyó considerablemente a un 9.7% e incrementando su
predominio en dirección oeste en un 14.16% con velocidades de 2 a 3 nudos y
aumento en los vientos de 4 a 7 nudos.
Julio: Durante este mes el viento tuvo una gran variabilidad en el predominio de
la dirección, así: del norte con 14.28%, del oeste con 19.04%, del sur con
11.11%, del sur suroeste con 11.11%. Asimismo, el viento en dirección noreste
presentó una gran disminución tomando porcentajes de 1.5% en esta dirección.
La velocidad del viento osciló entre 2 a 8 nudos con un incremento en la misma
en dirección sur-suroeste entre 8 a 11 nudos.
Agosto: Durante el mes de agosto el viento tuvo un comportamiento en
dirección norte en un 19.71%, con velocidades débiles y en dirección sur y
oeste en un 12.67% con incrementos en sus velocidades obteniendo valores
entre 12 y 15 nudos en dirección sur y en dirección oeste y sur suroeste
velocidades entre 8 y 11 nudos.
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Septiembre: El viento tuvo su predominio en dirección oeste (11.56%), oeste
noroeste (10.49%), nor- noroeste (9.96%) y noroeste (6.76%) y el predominio
en la velocidad del viento fue entre 4 y 7 nudos, asimismo se presentó un
incremento del viento en las direcciones oeste y noroeste entre 8 y 11 nudos.
Octubre: Durante el mes de octubre la dirección del viento tuvo un
comportamiento predominante de dirección oeste, oscilando entre los 220° y
330°, con los siguientes porcentajes así: de 37% del oeste con velocidades
promedio de 4 y 7 nudos, en un 26% en las direcciones norte noroeste con
velocidades que oscilaron entre los 4 y 12 nudos, del 38% del norte noroeste
con velocidades promedio entre los 4 a 12 nudos y de 16% del sur suroeste
alcanzando valores de hasta 15 nudos aproximadamente.
Noviembre: Durante el mes de noviembre la dirección del viento tuvo un
comportamiento predominante de dirección este noreste en un 52.38% con
velocidades entre 4 y 7 nudos, dichas velocidades tuvieron un predominio de
30.42% y en dirección
nor-noroeste con un predominio del 13.75%,
manteniendo velocidades entre 4 y 7 nudos con un promedio del 11.47%.
Diciembre: El comportamiento del viento en superficie para este mes fue de
predomino norte en un 46.6% con velocidades de 7 a 11 nudos máximo 15 y del
nor – noreste con un predominio del 22.6% con velocidades de 7 a 11 nudos.
En las figuras se muestran las rosas de viento mensuales.
FIGURA 4. Rosas del Viento Mensuales año 2004 – Estación Sinóptica del
CIOH
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3. ENERGIA EÓLICA
3.1. DEFINICIÓN
La energía eólica 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 y son
estos o mejor dicho la energía mecánica que en forma de energía cinética
transporta el aire. Una vez puesto en movimiento el aire, como se encuentra
sobre una esfera rotante (la Tierra), se produce un desvío inercial del viento
hacia la izquierda en el Hemisferio Sur y hacia la derecha en el Hemisferio
Norte.
El viento sopla desde las zonas de alta presión hacia las zonas de baja presión,
en las latitudes medias y altas esa dirección se modifica por la rotación de la
Tierra, el viento toma una dirección paralela a las isobaras, en sentido contrario
a las agujas del reloj, alrededor de las áreas ciclónicas y en el mismo sentido
alrededor de las áreas anticiclónicas en el hemisferio norte, mientras que en el
hemisferio sur los sentidos son inversos a aquellos.
Se calcula que un 2 % de la energía solar recibida por la Tierra se convierte en
energía cinética de los vientos. La cantidad de energía correspondiente es
enorme: unos 30 millones de Twh por año lo cual equivale a 500 veces el
consumo mundial de energía en 1975. Incluso teniendo en cuenta que sólo el
10 % de esta energía se encuentra disponible cerca del suelo, el potencial sigue
siendo considerable; así, es difícil concebir en la actualidad la explotación de
una parte notable de este potencial. En efecto, sería necesario cubrir las tierras
emergidas y las superficies marinas con enormes motores eólicos. En estas
condiciones, es más razonable estimar que por mucho tiempo las aplicaciones
de la energía eólica se limitaran a utilizaciones locales, en regiones aisladas - a
un nivel de potencia de algunos Kw. a algunas decenas de Kw.- o bien a un
papel de fuente complementaria en la alimentación de las redes eléctricas - con
niveles de potencia de hasta algunos MW-. Las zonas más favorables para la
implantación de grandes motores eólicos son las regiones costeras y las
grandes estepas, donde vientos constantes soplan regularmente: es necesaria
una velocidad media del viento superior a 30 km/h (fuerza 5 en la escala de
Beaufort). Aunque con velocidades desde 3m/s es posible considerar esta
posible fuente energética
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La Tierra recibe una gran cantidad de energía procedente del Sol. Esta energía,
en lugares favorables, puede ser del orden de 2.000 Kwh/m2 anuales. El 2 por
ciento de ella se transforma en energía eólica con un valor capaz de dar una
potencia de 10E+11 Gigawatios.
En la antigüedad no se conocían estos datos, pero lo que sí es cierto, es que
intuitivamente si se conocían el gran potencial de esta energía.
3.2. HISTORIA DE LA ENERGÍA EÓLICA
La historia muestra que existían molinos de viento en la antigua Persia, Irak,
Egipto y China. La primera referencia histórica sobre el aprovechamiento del
viento para mover máquinas son unos molinos de eje vertical que figuran en
obras geográficas del siglo V a. de c. Los citan en el Sijistán, situado entre lo
que hoy en día es Irán y Afganistán, donde sopla un viento muy constante
llamado de los 120 días.
El aprovechamiento del viento para generar energía es casi tan antiguo como la
civilización. La primera y la más sencilla aplicación fue la de las velas para la
navegación.
Los molinos de viento como fuente de energía mecánica en Europa.
En el Siglo XX el hombre comienza a utilizar la energía eólica para producir
electricidad pero en principio sólo para autoabastecimiento de pequeñas
instalaciones.
En la década de los noventa comienza el desarrollo de esta energía cuando se
toma conciencia de la necesidad de modificar el modelo energético basado en
los combustibles fósiles y la energía nuclear, por los problemas que estos
causan al medio ambiente.
En los últimos diez años del Siglo XX y, gracias a un desarrollo tecnológico y a
un incremento de su competitividad en términos económicos, la energía eólica
ha pasado de ser una utopía marginal a una realidad que se consolida como
alternativa futura y, de momento complementaria, a las fuentes contaminantes.
Energía
Cinética
Energía
Mecánica
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Energía Eléctrica
D.C – A.C
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3.2.1. Energía Eólica en Colombia
En Colombia la utilización de los molinos de viento en labores de bombeo de
agua o aerobombeo, se inició desde principios de este siglo y se afianzó en los
50‘s con masivas importaciones de equipos especialmente para la región de la
Guajira. En la actualidad se continúa su aprovechamiento, con una industria
nacional de equipos, algunos con diseños propios y otros adoptando modelos
de marcas extranjeras, y concesionarios para equipos importados.
Se ha detectado, que algunos de los principales obstáculos para que la energía
eólica amplíe su utilización en el país, es el desconocimiento de la tecnología y
del potencial energético de recurso en Colombia.
En el área del conocimiento del recurso eólico, se han hecho algunos intentos
por conocer el potencial energético real del recurso viento, para lo cual se ha
desarrollado algunos estudios regionales. En el año 1993 el antiguo INEA
(Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas) planteó el Proyecto
Levantamiento y Publicación del mapa de Vientos de Colombia, que se viene
desarrollando en forma conjunta con el IDEAM (Instituto de Hidrología y
Meteorología y Estudios Ambientales) antiguo HIMAT (Instituto Colombiano de
Hidrología Meteorología y Adecuación de tierras), entidad encargada de tomar
los registros meteorológicos del país); con este proyecto se busca llegar a una
aproximación del potencial energético del recurso eólico del país.
EEPPM (Empresas Públicas de Medellín) con 20 megavatios de generación,
instaló en La Guajira un proyecto de aerogeneración. En enero de 2005, entró
al sistema interconectado nacional de energía (en medio del desierto), 18
aerogeneradores con aspas de más de 30 metros de diámetro y una altura
superior a los 60 metros, conforman el primer parque de generación eólica en
Colombia.
La generación de este proyecto piloto en La Guajira apenas representa el
0,15% de la producción actual en el país. Pero la importancia de esta iniciativa
radica en que diversifica las fuentes de energía, le da mayor soporte y
confiabilidad al sistema en Colombia, abre las puertas para que en un futuro se
fortalezca la posición exportadora de energía del país y aporta a la reducción de
emisiones de gases.
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Existe un potencial en La Guajira según cálculos del Ministerio de Minas y
Energía y la EPM de 5.000 MW de energía eólica, con una ventaja adicional.
Los vientos cobran su mayor intensidad durante los veranos extremos, cuando
las hidroeléctricas tienen problemas de suministro.
Actualmente se está llevando a cabo otro proyecto de generación por medio de
energía eólica en nuestro país en la parte alta de la península de La Guajira
similar a Jepirachi, al norte de Colombia aprovechando los vientos que soplan
casi todo el año a un promedio de 9,8 metros por segundo, en el Parque Eólico
Wayúu, un proyecto de desarrollo rural para 5.000 familias indígenas.
En ese proyecto, que se encuentra en su primera fase, convergen dos
empresas privadas, un resguardo (jurisdicción) indígena y las municipalidades
de Uribia y Manaure, que constituyeron la sociedad prestadora de servicios
públicos Wayúu ESP.
El parque eólico Wayúu se está construyendo en una zona intermedia entre el
Cabo de La Vela y Puerto Bolívar, donde los vientos alisios del noreste tienen
mayor fuerza. Se prevé instalar de 15 a 30 torres de aproximadamente 60
metros de altura, con aspas cuyos brazos tendrán de 20 a 30 metros. La
capacidad de generación será 20 megavatios.
Las características técnicas del parque Wayúu son similares a las del también
parque eólico de Jepirachi, construido con tecnología de Alemania y apoyo de
la agencia de cooperación GTZ de ese país.
La venta de energía al sistema interconectado nacional permitirá instalar
infraestructura de servicios domiciliarios en las rancherías, bajo la modalidad de
soluciones individuales, dadas la dispersión de los asentamientos.
Acuaire (empresa colombiana encargada del montaje de estos equipos) ya ha
instalado soluciones individuales de energía eólica en inmediaciones de
Riohacha, la capital departamental, y en otras partes de la costa del mar Caribe,
en la occidental costa del océano Pacífico y en la zona central de la cordillera
andina, pero éste es su primer proyecto de alcance regional.
En Wayúu ESP también participa la empresa Estrategias y Desarrollos,
especializada en energía y medio ambiente. Si se comparan los 20 Mw
previstos del parque eólico con la capacidad instalada nacional de 13.000Mw,”el
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proyecto es pequeño, pero la significación e implicaciones para la comunidad
son inmensas.
3.3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LA ENERGÍA EÓLICA:
3.3.1. Velocidad del Viento:
Se ha establecido una escala de velocidades de vientos llamada Beaufort que
las clasifica en 17 categorías. (ver tabla). Las últimas columnas indican la
presión media sobre superficies planas dispuestas perpendicularmente al
viento, calculado como p= 0.13 V2 2, siendo V en m/s. Las mayores velocidades
de vientos se encuentran en los ciclones tropicales y cerca de los 45º de latitud
sur, (de 150 a 200 km/h).
TABLA 1. Escala de Beaufort
FUENTE: J. & Cabrero, J. La Energía Eólica Tecnología e Historia.
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J. & Cabrero, J. La Energía Eólica Tecnología e Historia.
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3.3.2. Energía eólica realmente utilizable por los aerogeneradores:
Los aerogeneradores arrancan a partir de una determinada velocidad del viento.
Para ciertos tipos, esta velocidad de arranque puede ser muy pequeña, del
orden de 2 m/s (Savonius). Para otros, es un tanto más importante, 3 m/s y
hasta 5 m/s. De esto se deduce que la energía del viento cuya velocidad es
menor a un cierto valor de (velocidad máxima) no es utilizable; para valores por
debajo de 3m/s en aerogeneradores pequeños no es viable la utilización de
este tipo de sistema ya que es muy probable que no generen energía eléctrica.
La velocidad mínima de generación es de 3m/s y la máxima es de 8m/s
Lo mismo sucede con la energía de vientos de gran intensidad que suponen un
peligro para la misma instalación. Durante esos períodos se suspende el
funcionamiento del aerogenerador.
Los equipos, además, están dotados con dispositivos reguladores que entran
en juego y mantienen constante la velocidad de rotación a partir del momento
en que el viento supera una velocidad pequeña llamada velocidad del viento
nominal.
La potencia proporcionada por el aerogenerador permanece constante e igual a
la potencia nominal (potencia capaz de ser producida por la instalación en
funcionamiento permanente). Coeficiente de utilización referido a la velocidad
media.
La correspondencia entre las velocidades medias y la potencia media
teóricamente disponible se observan en la tabla.
Tabla 2 Correspondencia entre las velocidades medias y la Producción
Potencia media
V (m/s)
3
4
5
6
7
8
W/m2
20
40
80
140
220
320
FUENTE: La Energía Eólica Tecnología e Historia. IDEAM Colombia
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3.4. MÁQUINAS EÓLICAS:
La velocidad del viento disponible en una región será el factor determinante en
la viabilidad del empleo del recurso eólico con fines energéticos prácticos.
Las experiencias que comenzaron a llevarse a cabo sobre máquinas de pocas
palas demostraron que las mismas podían alcanzar velocidades de rotación
mucho mayores para una velocidad dada de viento. Por ejemplo, una máquina
de dos o tres palas que opera con un viento de 10 m/s entrega más del
quíntuple de potencia mecánica que un molino lento de muchas palas.
En la mayor parte del planeta, donde existen vientos de 3 a 7 m/s, se pueden
emplear máquinas lentas de tipo multipala para bombeo de agua o tareas de
molienda, por el bajo requerimiento de potencia que esta clase de dispositivos
tiene para su puesta en marcha, pero la baja eficiencia de conversión no
permite su aplicación para la generación de energía eléctrica.
FIGURA 5. Pasos principales en el proceso de conversión de la energía del
viento a energía eléctrica en un generador eólico
FUENTE: Martín O.L. Hansen. Recursos eólicos y cálculo de la producción de
energía en aerogeneradores. Troen & Erik Lundtang Petersen. 1991.
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Figura 6. Pérdidas de eficiencia que se producen en cada paso hasta la
entrega de electricidad al pie del generador
FUENTE: Martín O.L. Hansen. Recursos eólicos y cálculo de la producción de
energía en aerogeneradores. Troen & Erik Lundtang Petersen. 1991.
3.4.1. FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE AEROGENERACIÓN
El sistema de aerogeneración consta de las siguientes partes:
•
Palas del rotor: Es donde se produce el movimiento rotatorio debido al
viento.
•
Eje: Encargado de transmitir el movimiento rotatorio.
•
Caja de engranajes o Multiplicadores: Encargados de cambiar la
frecuencia de giro del eje a otra menor o mayor según dependa el caso
para entregarle al generador una frecuencia apropiada para que este
funcione.
•
Torre: Estructura que sirve de soporte a todo el sistema de
aerogeneración. Para maximizar la eficiencia de extracción de la energía
del viento, las turbinas eólicas deben localizarse por encima de
obstrucciones que perturban el flujo del aire, para lo cual se emplean dos
torres pivotantes de acero de 10 metros de longitud cada una.
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•
Soportes y tensores: Son las estructuras en concreto que sostienen los
tensores, que a su vez mantienen en pie las torres.
•
Conductores: Medio que permite el transporte de la electricidad, hasta
el lugar que sea requerido
•
Inversor: Dispositivo eléctrico que permite efectuar la conversión de
corriente directa en corriente alterna.
•
Transformador: Elemento que eleva o reduce el nivel de tensión a su
salida
•
Baterías: Mecanismos por los cuales la energía proveniente de los
aerogeneradores es almacenada. La batería más tradicional y aún más
utilizada es la de plomo. Está formada por una serie de láminas de plomo
(polo negativo), alternando con otras de dióxido de plomo (polo positivo),
y sumergidas ambas en una disolución acuosa de H2SO4.
El líquido que se encuentra dentro de la batería recibe el nombre de electrolito y
su composición es 64% de agua destilada (H2O) cuyo peso especifico es 1.0 y
36% de Acido sulfúrico (H2SO4) cuyo peso especifico es 1.270.
Para comprender el funcionamiento de una pila es necesario entender los
procesos químicos que se dan al interior de la misma; en la figura se explica la
actividad química de cada una de las placas tanto en la carga como en la
descarga de la pila.
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FIGURA 7: Partes de una batería
FUENTE: Martín O.L. Hansen. Recursos eólicos y cálculo de la producción de
energía en aerogeneradores. Troen & Erik Lundtang Petersen. 1991.
En la descarga, las dos semirreacciones ocurren hacia la derecha, con lo que
ambos electrodos se van recubriendo de una capa de PbSO4. En la carga
(hacia la izquierda) se regeneran los reactivos (Pb y PbO2), a la vez que se
concentra la disolución de H2SO4.
La fem de un acumulador simple es de 2,0 V; pero suelen conectarse en serie,
constituyendo una batería; las que se emplean en Isla Tesoro están formadas
por seis elementos, con lo que resulta una tensión de unos 12 V.
•
Generador: dispositivo en que el movimiento mecánico del rotor se
transforma en energía eléctrica
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FIGURA 8: Funcionamiento de un Aerogenerador
FUENTE: Martín O.L. Hansen. Recursos eólicos y cálculo de la producción de
energía en aerogeneradores. Troen & Erik Lundtang Petersen. 1991.
Además de los componentes básicos se requieren otros componentes para el
funcionamiento eficiente y correcto del aerogenerador en base a la calidad de
servicio de la emergía eléctrica, alguno de ellos son:
¾ Controlador electrónico: que permite el control de la correcta
orientación de las palas del rotor, también en caso de cualquier
contingencia como sobrecalentamiento del aerogenerador lo para.
¾ Unidad de refrigeración: Encargada de mantener al generador a una
temperatura prudente.
¾ Anemómetro y la Veleta: Cuya función están dedicadas a calcular la
velocidad del viento y la dirección de este respectivamente. Están
conectadas al controlador electrónico quien procesa estas señales
adecuadamente.
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3.4.2. Control De Potencia en los Aerogeneradores:
Se presentan a continuación tres formas de control de potencia de
aerogeneradores:
Pitch controlled
También llamados por regulación de ángulo de paso, el controlador electrónico
lleva un registro de las potencias entregadas por el aerogenerador, si la
potencia entregada pasase un valor nominal el controlador hace que el ángulo
por donde se recibe el viento cambie de posición lo que hace que cambie el
área efectiva por donde pasa el viento y por lo tanto disminuye su potencia
absorbida, en el caso que la potencia recibida sea muy inferior se hace el
procedimiento contrario.
Stall controlled
Son así denominados los aerogeneradores regulados por pérdida de
aerodinámica, las palas del rotor están fijas al eje, las palas del rotor han sido
aerodinámicamente diseñadas de tal manera que a medida que aumenta la
velocidad del viento se produce paridad de potencia por turbulencias y así se
regula la potencia generada.
Por Alerones
Esta técnica consiste en cambiar la geometría de las palas del rotor, sin
embargo esto produce fuerzas que pueden dañar la estructura, por lo tanto es
sola usada en generadores de baja potencia.
3.4.3. Aerogeneradores de eje horizontal
Desde los primeros diseños de aerogeneradores para la utilización comercial,
hasta los actuales, ha habido un progresivo crecimiento en la potencia de las
turbinas -mayores rotores y alturas de torre-, con progresivos descensos en el
coste de generación por kWh.
Los aerogeneradores de eje horizontal se clasifican según su velocidad de giro
o según el número de palas que lleva el rotor, aspectos que están íntimamente
relacionados, en rápidos y lentos. En los aerogeneradores de eje horizontal
rápidos, el rotor está constituido por una hélice de 2 o más palas; los perfiles
utilizados normalmente en las mismas son muy parecidos al perfil de ala de
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avión, por cuanto éstos están muy estudiados y se conocen muy bien sus
características; dichos perfiles se eligen teniendo en cuenta el número de
revoluciones por minuto que se desea adquiera el aparato, definiéndose el perfil
en función de:
•
La forma de la estructura del mismo respecto a sus líneas medianas o
cuerdas a distintas distancias del eje de giro.
•
De su espesor con relación a la longitud característica de la cuerda
•
De la simetría o no de las palas, etc.
La forma de la pala es función de la potencia deseada, al igual que su velocidad
de rotación, eligiéndose perfiles que no creen grandes tensiones en los
extremos de las palas por efecto de la fuerza centrífuga, de forma que el
número de revoluciones por minuto máximo nmáx no supere la relación
(nmáxx D = 2000) siendo D el diámetro de la hélice en metros.
Para aerogeneradores, el número de palas puede ser de 2 ó 3, por cuanto la
potencia generada no depende más que de la superficie A barrenada por la
hélice, y no del número de palas. La aeroturbina puede accionar dos tipos
distintos de generadores eléctricos, de corriente continua (dinamos), o de
corriente alterna (síncronos, asíncronos, etc), bien directamente o mediante un
sistema de multiplicación de engranajes (ver figura), en la que se observa que
los ejes del aerogenerador y del alternador pueden estar alineados o no. Los
primeros diseños que eran de potencias pequeñas y velocidad fija, tenían
generadores de inducción directamente conectados a la red.
FIGURA 9: Sistemas de Ejes de un Aerogenerador
FUENTE: Martín O.L. Hansen. Recursos eólicos y cálculo de la producción de
energía en aerogeneradores. Troen & Erik Lundtang Petersen. 1991.
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3.5. VENTAJAS ECONÓMICAS DE LA APLICACIÓN DE LA ENERGÍA
EÓLICA
Entre sus ventajas se destaca que no es necesario reorientarlas cuando cambia
la dirección del viento, todos los equipos eólicos poseen sistemas de seguridad
para protección de borrascas o incrementos inadecuados de velocidad,
asociado al sistema de orientación. En el mercado existen generadores
eléctricos basados en molinos de viento en el rango de potencia que va desde
una fracción de Kw. hasta varios Mw.
Este modo de generación es competitivo en el caso de sitios aislados de la red
que cuenten con buena disponibilidad del recurso. Por su parte la generación
eléctrica de base mediante aerogeneradores es viable desde el punto de vista
de la disponibilidad del recurso primario, en distintas áreas del planeta; los
cálculos y estimaciones sobre la capacidad total de esta forma de generación
indican que la misma podría contribuir significativamente al menú energético de
algunas naciones, pero su horizonte es muy limitado en otras.
Sin embargo, la disponibilidad del recurso no es el único factor a tomar en
cuenta, existen todavía algunos problemas técnicos por superar para que pueda
considerarse la participación de este tipo de máquinas para la generación en
gran escala.
En primer lugar, la dispersión del recurso y la necesidad de utilizar áreas de
recolección muy grandes obligan a pensar en formas de optimizar al
aprovechamiento. Al respecto, existen dos aproximaciones al problema: la que
contempla la instalación de un número importante de máquinas de porte
intermedio para generar de ese modo una potencia aceptable y la que propone
centrar los esfuerzos en el desarrollo de máquinas de gran diámetro.
Los defensores del concepto de la “granja eólica”, experiencia llevada a cabo
desde hace ya algunos años en Estados Unidos y en Dinamarca, destacan la
gran confiabilidad de los molinos pequeños y su bajo costo de capital. Por el
contrario, los que prefieren la idea de desarrollar grandes máquinas hacen
hincapié en los problemas de operación y mantenimiento que se pueden llegar
a presentar en una planta de 4000 Mw. que genere esa potencia mediante
2.000 molinos de 2.000 Kw cada uno.
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Por último, y también como en el caso de la energía solar, para que la
utilización del recurso eólico resulte atractivo, aplicado a la generación de base,
será necesario establecer un sistema de almacenamiento y distribución de los
excedentes disponibles durante períodos de sobreoferta de energía eólica que
permita desacoplar la demanda energética de la generación. Esta exigencia y el
desarrollo de nuevas soluciones tecnológicas que permitan aumentar el
rendimiento de los molinos a un costo razonable son dos metas a cumplir para
que se puedan concretar instalaciones de base que utilicen como fuente
primaria de energía el recurso eólico.
3.6. CONSIDERACIONES AMBIENTALES EN LA APLICACIÓN DE LA
ENERGÍA EÓLICA:
3.6.1. Energía y medio ambiente:
Ante el trasfondo de lo limitado de los recursos fósiles, del dramático aumento
del consumo energético mundial en las próximas décadas y del objetivo de
reducir las emisiones de CO2 para disminuir el efecto invernadero, es
estrictamente necesario reorientarse hacia un abastecimiento energético
sostenible con fuentes de energía renovables. (Revista Ambientum, Edición
Abril 2004)
La demanda mundial de energía hoy está cubierta en un 90% con los medios
energéticos fósiles carbón, petróleo y gas. En un sólo día la humanidad quema
carbón, petróleo y gas en cantidades que para su génesis natural necesitaran
de un período de más de 1.300 años. Durante la combustión de medios
energéticos fósiles es inevitable la emisión de dióxido de carbono (CO2). El
CO2 no es filtrable.
La reducción de las emisiones de CO2 es pues uno de los grandes desafíos de
nuestra era. Los principales fundamentos de un suministro energético
compatible con el medio ambiente son el uso racional de la energía y la
consolidación de las energías renovables y libres de CO2, como por ejemplo la
energía eólica.
Gracias al progreso tecnológico, hoy en día las modernas instalaciones eólicas
aprovechan la fuerza del viento para producir energía eléctrica. Corriente
eléctrica obtenida del viento: este modo de obtener electricidad es
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absolutamente libre de contaminación. Pues a diferencia de las centrales de
energía convencionales, la operación de instalaciones eólicas no conduce a la
explotación de la naturaleza. Es más, de modo sostenible se utiliza un
fenómeno natural: El viento, fuente inagotable de energía. Las instalaciones
eólicas modernas transforman su energía cinética en energía eléctrica sin poner
en peligro al hombre, ni al medio ambiente ni al clima.
Contrariamente a la generación de corriente con combustibles fósiles o
nucleares, la operación de instalaciones eólicas no produce emisiones nocivas
o desechos radiactivos.
Otra ventaja del viento como fuente de energía es que está a disposición
inmediata. Para producir corriente eléctrica de carbón y uranio es necesario, por
el contrario, destruir comarcas completas para obtener las materias primas.
La energía eólica, que no contamina el medio ambiente con gases ni agrava el
efecto invernadero, es una valiosa alternativa frente a los combustibles no
renovables como el petróleo. Los generadores de turbinas de viento para
producción de energía eléctrica a gran escala y de rendimiento satisfactorio
tienen un tamaño mediano (de 15 a 30 metros de diámetro, con una potencia
entre 100 y 400 Kw.). Algunas veces se instalan en filas y se conocen entonces
como parques eólicos.
El precio de la energía eléctrica producida por ese medio resulta competitivo
con otras muchas formas de generación de energía.
La crisis energética de los setenta provocó que la sociedad tomara conciencia
de la insolvencia de combustibles fósiles. Tras ella, el mundo confió en que las
fuentes renovables con mayor potencial de desarrollo (solar, eólica y biomasa
principalmente), llamadas entonces energías alternativas, solucionaran el
problema. Treinta años más tarde, no resultó tal como se esperaba y solo la
energía eólica parece desmarcarse del grupo y comenzar a ser rentable frente a
las energías convencionales.
La energía eólica, vista así, se convierte en un sector económico en expansión,
estratégico, aceptable medioambientalmente y deseado por los partidarios más
radicales. Si se eliminan todas las trabas, la energía eólica puede consolidarse
como una fuente energética al mismo tiempo renovable y alternativa.
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
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3.6.2. Ventajas Medioambientales:
Aparte de la existencia de grandes recursos eólicos, la gran ventaja
medioambiental de la energía eólica es la reducción del efecto invernadero.
Según el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDEA) entidad
española, 10 MW de potencia renovable evitan la emisión a la atmósfera de 22
500 toneladas al año de CO2, el principal causante del fenómeno atmosférico.
Esta energía presenta algunas ventajas, tales como:
• No contamina.
• Es inagotable.
• Frena el agotamiento de combustibles fósiles contribuyendo a evitar el
cambio climático.
• Es una de las fuentes más baratas.
• Beneficia a la atmósfera, el suelo, el agua, la fauna, la vegetación.
• No produce ningún tipo de alteración sobre los acuíferos, ni por
consumo, ni por contaminante de residuos o vertidos no produce gases
tóxicos, ni contribuye al efecto invernadero, ni a la lluvias ácidas, no
origina productos secundarios peligrosos ni residuos contaminantes.
• Cada kw/h de electricidad generada por energía eólica se evita 0.60 Kg
de CO ², 1.33 gr de SO² y 1.67 de NO.
• Evita que se quemen diariamente miles de kilogramos de lignito negro en
una central térmica.
• Se obtiene en forma mecánica siendo directamente utilizable.
• Su transformación se realiza con un rendimiento excelente.
3.7. POSICIÓN AMBIENTAL GLOBAL FRENTE A LA ENERGÍA
EÓLICA
El impulso a la expansión de la energía eólica ha venido cada vez más de la
necesidad urgente de combatir el cambio climático global. El Panel
Intergubernamental del Cambio Climático patrocinado por Naciones Unidas
prevé que las temperaturas medias del planeta aumentarán hasta 5,8ºC durante
este siglo. Muchos países aceptan actualmente que las emisiones de gases de
efecto invernadero deben recortarse de manera drástica para limitar la
catástrofe medioambiental que se produciría.
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
38
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La eólica y otras tecnologías energéticas renovables generan electricidad sin
producir los contaminantes asociados a los combustibles fósiles y a la energía
nuclear, entre ellos, el dióxido de carbono, el gas de efecto invernadero más
significativo.
A partir del Protocolo de Kyoto de 1997, que requiere una reducción global de
las emisiones de gases de invernadero del 5,2% para el periodo 2008-2012
respecto de los niveles de 1990, se han introducido en cascada una serie de
objetivos de reducción a escala regional y nacional. Éstos se han traducido, a
su vez, en objetivos de introducción de una proporción creciente de energías
renovables en el tema de suministro. Los 15 Estados miembros de la Unión
Europea, por ejemplo, se han marcado como objetivo conjunto que el 22% de
su electricidad provenga de fuentes renovables en el 2010, tomando como
punto de partida la cuota del 14% existente en 1997. Para alcanzar estos
objetivos, los países europeos y no europeos han adoptado una serie de
mecanismos de apoyo al mercado que van desde simples primas por unidad
eléctrica producida por las plantas de energía renovable a mecanismos más
complejos que obligan a los generadores eléctricos a obtener un porcentaje
creciente de su suministro a partir de energías renovables3.
El razonamiento que sostiene estos mecanismos es doble. En primer lugar, hay
una necesidad de estimular el mercado renovable hasta el punto en el que se
pueda establecer una industria sustancial. En segundo lugar, existe una
distorsión histórica del mercado energético en favor de los combustibles fósiles
y del nuclear. Se estima que las fuentes de energía convencionales reciben
anualmente en todo el mundo subvenciones de entre 300 y 400 miles de
millones de dólares. Por su parte, la energía nuclear continúa llevándose una
parte significativa de los fondos de investigación tanto en EEUU como en
Europa. Al mismo tiempo, en los costes de generación de los combustibles
"convencionales" no se tienen en cuenta sus costes externos
medioambientales, sociales y sanitarios. Sumadas a la liberalización
competitiva de los mercados energéticos en todo el mundo, estas distorsiones
hacen difícil la consolidación de las nuevas tecnologías energéticas renovables.
3
Revista Ambientum, Edición Abril 2004
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
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FIGURA 10. Comparación de emisiones de CO2 según tipo de energía en
Europa
Fuente: US Departament of Energy, Council for Renewable Energy Education y
AEDENAT
3.7.1. Desventajas de la energía eólica
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
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
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entidad, y siempre que estemos muy próximos a los molinos.
También ha de tenerse especial cuidado a la hora de seleccionar un parque
eólico, 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.
La energía eólica es una fuente renovable y limpia en su etapa de generación,
sin embargo la industria de aerogeneradores provoca efectos contaminantes.
Es alta consumidora de acero, hormigón, y materiales plásticos compuestos,
tales como epoxi y fibra de vidrio. Se trata de industrias pesadas que
concentran entre el 10% y el 15% de las emisiones de CO2 en el mundo. A
pesar de ello, igualmente se encuentra entre las fuentes energéticas
relativamente más limpias.
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
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4. DIAGNÓSTICO TÉCNICO-ECONÓMICO PARA LA REHABILITACIÓN DEL
SISTEMA DE AEROGENERACIÓN DEL PARQUE NACIONAL NATURAL
CORALES DEL ROSARIO
4.1. MARCO METODOLÓGICO DEL PROYECTO
Para el desarrollo de la investigación se desarrollan las siguientes etapas:
•
•
•
•
•
Inventario de equipos. Reconocimiento del sistema de aerogeneración
del Parque Nacional Natural Corales del Rosario y su actual estado a
través de visitas técnicas.
Análisis del sistema de aerogeneración para determinar la causa del
problema y su salida de funcionamiento actualmente.
Caracterización de equipos.
Diagnostico de cada elemento que compone el sistema.
Costos de la rehabilitación de cada uno de los elementos del sistema.
4.2. INVENTARIO DE EQUIPOS
Los aerogeneradores instalados en el Parque Nacional Natural Corales del
Rosario, fueron en su momento, adquiridos para ser utilizados aplicando el
concepto de URE (Uso racional y Eficiente de Energía) por todas las razones
que el mismo implica, bajo costo de operación y mantenimiento, fácil
aclimatación local, aprovechamiento de los recursos energéticos locales,
protección del medio ambiente, etc.
En el comienzo del presente proyecto se recopiló la mayor información posible
respecto de los diferentes equipos que se tenían en la Isla Tesoro (Corales del
Rosario), pero infortunadamente no fue posible encontrar ningún tipo de
literatura, plano de equipos o de localización de los mismos, a continuación se
muestra un inventario de los equipos que habían sido instalados:
TABLA 3. Inventario de Equipos
1
2
3
EQUIPO
Aerogeneradores Whisper 4500 W
Cajas de Control EZ-WIRE
Inversor de corriente TRACE SW 5548
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
CANTIDAD
2
2
2
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Planta desalinizadora Acquapura Systems SW-600 y sus
accesorios
Baterías TROJAN T-105, de doce voltios y doscientos
veinte amperios
Torres de acero al carbón de 10 metros de longitud c/u
Platinas de base para las torres
Bomba sumergible SHURFLO de 1/3 Hp en acero
inoxidable
Transformador 120-220 AC, Marca EL VATIO
Accesorios e instalaciones hidráulicas y eléctricas.
Regulador y controlador de carga EZ250/7000
5
6
7
8
9
10
11
1
32
2
2
1
1
1
FUENTE: autores del proyecto
4.3. ANÁLISIS DEL SISTEMA DE AEROGENERACIÓN PARA DETERMINAR
LA CAUSA DEL PROBLEMA Y SU SALIDA DE FUNCIONAMIENTO
ACTUALMENTE
En la fase de recolección de información se encontraron algunos documentos
donde Acquaire (entidad responsable del montaje de los equipos) hace
referencia a las causas del daño de los equipos:
•
•
•
•
•
Diciembre de 1998: El sistema deja de funcionar debido al
derrumbamiento de una de las bases.
14 de abril de 1999: Parte de los equipos son enviados a Bogotá con el
fin de hacerles una revisión, ya que se presume que una descarga
atmosférica los averió.
6 de mayo de 1999: Entrega del parque eólico en óptimo funcionamiento.
Noviembre 5 de 1999: El daño presentado en uno de los
aerogeneradores se debió al deterioro mecánico de los rodamientos del
generador, causado inicialmente por la caída del sistema en el mes de
diciembre de 1998, este evento provocó un progresivo desalineamiento
del rotor, con respecto al estator, produciendo finalmente un fuerte
rozamiento entre las dos partes hasta el punto de impedir la operación
normal del sistema.
No se encontró documentación que certifique en que fecha dejaron de
funcionar los aparatos, pero de acuerdo a conversaciones sostenidas
con el personal del parque durante la visita realizada por nosotros en el
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
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mes de septiembre, llegamos a la conclusión que salieron de operación
en el mes de diciembre de 1999.
4.4. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS ENCONTRADOS EN CAMPO
Con la información recopilada, se realizó la primer visita a la Isla Tesoro, el 18
de septiembre del año 2005 para observar las condiciones actuales de los
equipos; para ello se tomaron fotografías, dejando constancia del estado actual
en el que estaban la mayoría de las partes que conforman el sistema: dos
aerogeneradores con sus respectivos equipos complementarios:
4.4.1. Planta Diesel
Actualmente dentro de la isla se encuentra una planta Mitsubishi T11UCM la
cual suministra energía eléctrica a la isla a partir de la salida de funcionamiento
del sistema de aerogeneración en el año 1999. El consumo de combustible es
de 12,5 litros/hora, con una potencia de 10 Kw. Se encuentra en funcionamiento
12 horas al día.
FOTOGRAFÍA 1: Planta Diesel
4.4.2. Sistema de Orientación
Es un sistema a barlovento, de eje horizontal; lo que indica que es de alta
velocidad. Su longitud es de 2.2 metros. Actualmente se encuentra en
condiciones de abandono, corroído por la salinidad del lugar y la falta de
mantenimiento.
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FOTOGRAFÍA 2: Sistema de Orientación a Barlovento
FOTOGRAFÍA 3. Aspas
4.4.3. Generador
Son dos unidades de 4.5 kW marca Whisper modelo 4500 serie 7110776 con
1775 r.p.m y 60 Hz de frecuencia, del tipo de máquinas síncronas. De acuerdo
a las fotografías 5 y 6 tomadas por los autores del trabajo, se puede apreciar,
el estado de oxidación de la bobina y del soporte de rodamiento, se
encontraron estos equipos a la intemperie sin ningún tipo de protección para
evitar daños por la salinidad del sitio. Actualmente y según las pruebas
realizadas a estos equipos, se encontró desalineamiento del rotor y necesidad
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de cambio de carcaza (mas adelante se explica de manera un poco mas
concreta que tipo de pruebas se aplicaron y bajo que normas se respaldan)
FOTOGRAFÍA 4. Generador
FOTOGRAFÍA 5. Generador
4.4.4. Torre
Las torres inicialmente instaladas eran de 10 metros de altura. Como se puede
observar en la fotografía No. 6, se encuentran en condiciones desfavorables, ya
que la acción de la humedad, la salinidad del mar, de los rayos solares y la falta
de mantenimiento han ocasionado que las estructuras se hayan consumido por
el óxido. Actualmente están fuera de servicio (en piso).
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FOTOGRAFÍA 6. Torre
4.4.5. Soportes y Tensores
Los soportes y tensores ubicados en la Isla, actualmente se encuentran
totalmente destruidos, no se puede establecer el diámetro ni la longitud, por el
estado de corrosión encontrado y de oxidación, al tocarlos se desmoronan. La
estructura en concreto se encuentra en buen estado
FOTOGRAFIA 7 Y 8: Soportes y tensores
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.
4.4.6. Conductores
Debido al estado en el que se encuentran no es posible establecer que tipo de
conductor es; además, es importante aclarar, que se encuentran protegidos por
un aislamiento en PVC, para evitar contacto alguno con el agua. De otro lado,
no fue posible encontrar ninguna información con respecto al calculo del
conductor ni al diseño empleado para el montaje de los equipos.
FOTOGRAFÍA 9 y 10. Conductores
4.4.7. Casa Control
Estructura Física: Como se puede observar en la fotografía 11 es una
construcción en madera, no posee ningún tipo de encerramiento que la proteja
de las vicisitudes del clima, actualmente abandonada y con poco
mantenimiento, en general en obra negra. En este sitio se encuentra
localizados el controlador de velocidad del aerogenerador, el transformador,
baterías, interruptores e instalación eléctrica del sistema
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FOTOGRAFÍA 11. Casa de control
4.4.8. Inversor
Se encuentra un inversor de corriente marca Trace SW 5548 a 120VAC
1000W. Se observa daño por quemadura de los circuitos internos y oxidación
debida a la humedad y salinidad de la isla. Está fuera de servicio sin opción de
reparación alguna.
FOTOGRAFÍA 12. Inversor
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4.4.9. Baterías
Se encuentran 32 baterías TROJAN T-105, de seis voltios y doscientos veinte
amperios actualmente están totalmente descargadas debido a la salida de
funcionamiento del sistema
FOTOGRAFÍA 13. Baterías
4.4.10. Transformador
Es un Transformador 120-220 AC elevador. Está ubicado en la casa de control.
Se encuentra en buen estado, físicamente oxidado, por la salinidad de la isla y
falta de mantenimiento del sistema.
FOTOGRAFÍA 14. Transformador
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4.4.11. Instalación eléctrica dentro de la cabaña:
FOTOGRAFÍA 15 y 16. Instalaciones
Dentro de las dos cabañas situadas en Isla Tesoro se encuentra:
Tres habitaciones dos baños, sala. Cocina-comedor cada una con:
TABLA 4. Inventario de Instalaciones de las Cabañas.
ELEMENTO
1
2
3
4
HABITACIONES
TOMAS
BOMBILLOS 120 W Y 12
VOLTIOS
INTERRUPTOR
BAÑOS
BOMBILLOS 120 W
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
CANTIDAD POR
HABITACION
CANTIDAD
TOTAL
2
6
2
1
6
3
3
6
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5
6
7
8
9
10
11
INTERRUPTORES
TOMAS
SALA
BOMBILLOS 120 W
INTERRUPTOR
COCINA COMEDOR
BOMBILLOS 120 W
INTERRUPTORES
TOMAS
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
3
1
6
2
2
1
2
1
3
2
2
3
2
2
FUENTE: autores del proyecto
4.5. PRUEBAS A EQUIPOS
Este capitulo se orienta a mostrar las diferentes pruebas realizadas a los
elementos que conforman el sistema eólico que se viene analizando, es muy
importante resaltar que la atención se orienta al aerogenerador, aunque
también se verificaron el inversor y las baterías.
Básicamente se busca establecer el estado del aislamiento del aerogenerador
por medio de tres tipos ensayos como lo son las pruebas de Hipot, Surge y
Megger. En el caso de las baterías se practicaron pruebas de descarga intensa
cuyo objetivo era el de verificar el estado de las laminas de plomo, quienes en
ultimas son las verdaderas responsables de la calidad del proceso químico que
se lleva a cabo al interior de los acumuladores.
4.5.1 Pruebas Baterías
Del total del banco de baterías se tomó una muestra aleatoria de seis de ellas, a
las cuales se les practicaron las pruebas.
PROTOCOLO DE PRUEBAS
MARCA:
MODELO:
DATOS DE PLACA TROJAN T-105
TROJAN
T-105
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12 Voltios
220 Amperios
TENSIÓN:
CORRIENTE:
CONDICION DE LLEGADA DE LAS BATERIAS
Estado
Elemento
Ok
Tapa para comprobar y reponer
Placas negativas
Placas positivas
Acumulador de plomo
Defectuoso
No Presenta
X
X
X
X
Inspección visual:
Ninguna de las seis baterías que se inspeccionaron tenía líquido
en la parte interior, por el contrario se encontraron costras de sal
en las paredes de las cámaras. Se limpiaron y se procedió a
llenar cada una de ellas con la mezcla de agua y acido sulfúrico,
luego se pusieron a cargar durante un día.
Medición de la densidad en el electrolito:
Conociendo los valores teóricos, el electrolito debe tener una
densidad de 1.250 a una temperatura de 27”C (el factor de
corrección es de 0.004 mas o menos por cada 5.5”C), para el caso
de nuestras pruebas las densidades que marcaron los
instrumentos (densímetro) a una temperatura ambiente de 20”C se
muestran en la siguiente tabla:
Elemento
Densidad
Batería 1
0.840
Batería 2
0.958
Batería 3
0.765
Batería 4
0.820
Batería 5
0.962
Batería 6
1.005
Estos resultados nos dejan ver algún tipo de problema en las
baterías, ya que al aplicar el factor de corrección para la
temperatura ambiente en el momento de las pruebas la densidad
del electrolito debía estar alrededor de 1.244 aproximadamente, la
guía de pruebas indica que las baterías se encuentran
descargadas, lo cual es contradictorio por que se dejaron
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cargando todo un día, la recomendación es hacer la prueba en
régimen de descarga intensa.
Prueba con carga aplicada (Régimen de descarga intensa):
FOTOGRAFÍA 17: Prueba de descarga intensa a las baterías
Para realizar este ensayo se requiere cargar completamente la
batería por medio de una fuente de voltaje, luego se procede a
conectar un voltímetro entre el polo positivo y el negativo. Se
coloca una carga fija durante 20 segundos al cabo de los cuales el
aparato de medición (voltímetro) debe arrojar un valor por encima
de los 9 voltios para baterías de 12 voltios. En este caso al hacer
el ensayo conseguimos los siguientes datos para cada una de las
baterías:
Elemento
Voltaje (v)
Batería 1
5.7
Batería 2
5.9
Batería 3
5.4
Batería 4
5.5
Batería 5
5.9
Batería 6
6.1
FOTOGRAFÍA 18: Medición de tensión a las baterías
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CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
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Es necesario volver a cargar y repetir la prueba para descartar
cualquier tipo de anomalía en la misma, al realizar nuevamente el
experimento se obtuvieron los siguientes datos:
Elemento
Voltaje (v)
Batería 1
5.6
Batería 2
6.1
Batería 3
5.6
Batería 4
5.5
Batería 5
6.1
Batería 6
6.1
Comentarios: Una vez analizados los resultados se puede afirmar que es
necesario cambiar las seis baterías, ya que ninguna de ellas supero los
ensayos; las posibles causas que se pueden establecer para el mal estado de
las mismas son:
-
Contaminación excesiva de sal, es decir que aun se mantienen
residuos en las paredes de las baterías, lo que altera el proceso
químico que se debe dar al interior de las mismas.
Deterioro en los componentes de las baterías, este se debe al
prolongado uso o a las condiciones atmosféricas y ambientales del
medio en el que se localizaban almacenadas
4.5.2. Pruebas aerogenerador:
Para poder establecer el estado en el que se encontraba el aerogenerador fue
necesario realizar algunas pruebas (Prueba de Surge, Prueba de Megger y
Prueba Hipot), básicamente lo que se quiso comprobar en dichos ensayos era
la calidad en la que se hallaba el aislamiento de la maquina, estos tuvieron
lugar en las instalaciones de LKS; empresa que colaboró directamente
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realizando las pruebas y asesorando a los autores del proyecto. A continuación
se hace una breve descripción de cada una de ellas:
Prueba de Megger – Resistencia de aislamiento.
Su nombre proviene del aparato utilizado para poder realizar el experimento, se
determina inicialmente el voltaje de operación de la unidad para evaluar el
voltaje de prueba siguiendo los estándares de la norma IEEE Std 43-2000. Se
determina en periodos de tiempo de acuerdo a la disponibilidad del equipo los
cambios de la resistencia de aislamiento durante un minuto a una tensión
constante para así determinar por la Ley de Ohm la calidad de las paredes del
aislamiento de un bobinado contra la masa o las ranuras. Se debe verificar que
el bobinado no este contaminado con suciedad, carbón, polvo, agua, lubricación
ya que influyen en los resultados de la prueba.
Prueba de Hipot – Tensión Aplicada.
Se utiliza un voltaje en corriente continua aplicado gradualmente al bobinado
substancialmente más alto que el que se aplica con el megger, según la norma
IEEE Std 43-2000 esta tensión debe ser igual a la nominal, basado de igual
manera al nivel de operación del equipo rotativo. Se pone mayor atención a la
variación o incremento de la corriente de fuga que presenta el aislamiento de un
bobinado en su totalidad contra la masa originado por deficiencias del
aislamiento de la ranura, cuñas, envejecimiento del bobinado, fatiga por
temperatura, cables de salida imperfectos.
Surge – Comparativa de Impulso.
Con este ensayo evaluamos la calidad del aislamiento en cada fase del
generador, basados de igual manera en el voltaje de operación de la unidad. Se
verifica el aislamiento entre fases, entre bobinas o grupos de una misma fase,
deficiencias de aislamientos entre espiras, conexionados imperfectos antes y
después de una reparación.
Voltajes Recomendados De Ensayo:
Para las pruebas de Hipot y Surge en motores y generadores se siguen las
guías de norma NEMA MG-1, IEEE 95-1977, EASA Std Section 9 para
maquinas que han estado en operación, rehabilitadas eléctricamente o en
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mantenimiento preventivo. Con el Baker se realizan ensayos no destructivos
para equipos inspeccionados en campo o aquellos que están en mantenimiento
preventivo.
PROTOCOLO DE PRUEBAS
MARCA:
MODELO:
POTENCIA:
DATOS DE PLACA WHISPER 4500
WHISPER
SERIE: 7110776
WHISPER 4500
RPM: 1775
4500 watt
FRECUENCIA: 60 Hz
CONDICION DE LLEGADA DEL GENERADOR AL SITIO DE LAS
PRUEBAS
Estado
Elemento
Ok
Carcaza
Caja de conexiones
Tablero
Tapa de caja de conexiones
Eje
Acople
Cuña
Ventilador
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Defectuoso
No Presenta
X
X
X
X
X
X
X
X
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Rodamiento
Base anclaje
Rotor principal
Estator principal
Rotor excitatriz
Estator excitatriz
Base i anclajes motor
Plato rectificador
Resistencias anticondensacion
Sensores temperatu~ devanado
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
AJUSTES Y TOLERANCIAS
Escudo lado acople respecto a rodamiento:260 + 0.06 mm Escudo lado
Libre respecto a rodamiento:260 + 0.0 6 mm
Eje lado acople respecto a rodamiento : 120 + 0.05 mm Eje lado Libre
respecto a rodamiento : 120 + 0.0 5 mm
COMENTARIOS: Los ajustes mecánicos de los rodamientos respecto a los
alojamientos y la interferencia con los ejes no están dentro de tolerancias
teniendo en cuenta el diseño constructivo del conjunto.
FOTOGRAFÍA 19: Condición de llegada del aerogenerador al sitio de
realización de pruebas
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PRUEBAS DE AISLAMIENTO
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FIGURA 11. PRUEBA DE AISLAMIENTO
PRUEBAS DE HIPOT :
VOLT
12000
µA
0.6
MΩ
20000
Comentarios: La calidad del aislamiento es aceptable. El aumento de la
corriente de fuga es incipiente con el incremento de la respectiva tensión
aplicada. No hay disrupción a masa. Prueba realizada con el devanado
totalmente interconectado en las tres fases contra masa.
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CARLOS ALEJANDRO VELÁSQUEZ ROSAS
60
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FIGURA 12. PRUEBA SURGE COMPARATIVA DE IMPULSO
COMENTARIOS: Acoplamiento perfecto de las ondas. No hay evidencia de falla de
aislamiento entre las tres fases, buen aislamiento entre espiras y defectos de
conexionado.
CLAUDIA MARCELA BALLÉN VARGAS
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INDICE DE POLARIZACION ESTATOR WHISPER
FIGURA 13. CURVA INDICE DE POLARIZACION ESTATOR WHISPER
RESISTENCIA (Ω)
8000 .
10000 .
13000 .
15000 .
20000 .
22000 .
24000 .
25000 .
26000 .
27000 .
TIEMPO (sg)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Índice de Polarización: 3.37
Tensión de Prueba: Tensión nominal
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COMENTARIOS: La prueba de índice de polarización es de 3.37 hay un alto
nivel de rigidez dieléctrica. El nivel de aislamiento no decrece durante el
ensayo.
RESISTENCIA OHMICA DEVANADOS ESTATOR
RESISTENCIA OHMICA ESTATOR
Temp. Ambiente: 19ºC
Comentarios: El equilibrio de la Humedad: 51%
resistencia ohmica en las tres fases
del motor garantizan un buen
empalme de conexionado entre
ф L2-L3
bobinas, aceptable juntas de las ф L1-L2
soldaduras entre grupos, volumen de 0.785.Ω
0.785.Ω
cobre y contacto de los bornes
terminales.
ф L2-L3
0.785.Ω
¾ Los registros muestran que en términos generales la máquina no
presenta ningún problema en sus componentes eléctricos, pero
mecánicamente se puede apreciar que el eje se encuentra doblado, para
un adecuado funcionamiento es necesario corregir dicha imperfección,
así, como cambiar la carcaza.
¾ En primera instancia, se puede apreciar alto grado de corrosión en el
soporte del acople, así como en diversas zonas del generador por lo que
es necesario dar una buena limpieza a cada una de las partes.
¾ El bobinado tiene un recubrimiento que no es el más adecuado para dar
un buen aislamiento. Se le ha aplicado silicona en algunos sitios.
4.5.3. Pruebas inversor
No se le realizó ningún tipo de prueba debido a que internamente presentaba
quemaduras y a simple vista el inversor se encontraba en mal estado.
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5. ANÁLISIS DE COSTOS
Los costos de equipos, mano de obra y puesta en funcionamiento del sistema,
tal como se encuentra hoy día, se hallan en el anexo No. 1, de acuerdo con los
datos obtenidos del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Social y de
acuerdo a su contratación.
Para rehabilitar el sistema, la empresa C. I. ELECTRO ANDINO LTDA, realizó
una cotización que también se encuentra en el Anexo No. 1. En dicha cotización
se tuvo en cuenta un sistema eólico, con costo total de $91.600.0004, sin incluir
el correspondiente IVA y con fecha de validez hasta el 15 de junio de 2006.
La cotización se realizó para un sistema de 9000 watios (dos aerogeneradores
de 4500 watios), en la isla existía ya este sistema, realizando las pruebas a los
aerogeneradores, sólo se necesitan realizar reparaciones, las cuales incluyen
cambio de carcaza y alineamiento del rotor. No todos los equipos hay que
adquirirlos nuevamente, puesto que después de las pruebas realizadas,
algunos de ellos funcionan y ya están instalados dentro de la isla.
En la cotización se incluyó costos de obras civiles, transporte y viáticos del
personal que sea necesario para la instalación y puesta en marcha del sistema
de aerogeneración.
Además, se debe tener en cuenta, que para un funcionamiento óptimo y una
buena preservación se deben hacer ajustes a las edificaciones donde serán
instalados los equipos. Los costos están incluidos dentro de la cotización.
Teniendo en cuenta que el deterioro del equipo actual se debe a:
1. Falta de experiencia y personal no calificado en el manejo de equipos.
2. Falta de aislamiento de equipos contra ambientes salinos.
3. Falta de mantenimiento de equipos.
Se recomienda, que si opta por una nueva obtención de energía a través de
procedimientos eólicos, estos tópicos deben solucionarse para un excelente
rendimiento en el trabajo.
4
PRIETO, Andrés. Cotización C-6-038: Claudia Ballén (Ver Anexo 1)
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Para conocer el costo total de la inversión es importante, destacar el arreglo a
los aerogeneradores.
TABLA 5: Costos reparación aerogenerador
AEROGENERADORES 9000W
1.Alineamiento de rotor
2
$ 30.000
2.Cambio de carcaza
2
$ 75.000
subtotal
TRANSPORTE A LA ISLA
TOTAL
$ 60.000
$ 150.000
$ 180.000
$ 120.000
$ 300.000
Fuente: Lks Ltda.
De acuerdo con lo anterior, el costo total de la inversión es la suma del costo de
los equipos que se deben adquirir de nuevo, más el arreglo de los
aerogeneradores e instalación en la Isla, esto equivale a $91.900.000.
El mantenimiento y operación del sistema no se asumen dentro de los costos
puesto que en el sitio existe una persona encargada del mantenimiento de Isla
Tesoro, y ella se capacitaría para realizar dichas labores.
5.1.
COSTO DE LA ENERGIA GENERADA POR EL VIENTO5
Se explicará la forma de la unidad de energía generada por los sistemas
eólicos, el costo de KWh. Los elementos constitutivos de este costo serán, en
una primera aproximación, el costo del capital invertido en el sistema, el costo
de operación y mantenimiento. Este análisis económico se basó en las fórmulas
suministradas por el antiguo INEA para la aplicación de sistemas eólicos.
5.1.1. Costo de capital unitario por producir energía eólica
El costo de capital, se obtiene con la siguiente forma:
CC =
5
CIE
x
Eg
i
1−
1
(1 + i )n
Ecuación 1
Manual de Aplicación de la energía eólica, INEA
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Donde:
CC = Costo del capital en ($/kWh)
CIE = Capital invertido ($)
Eg = Energía eléctrica generada en un año (KWh)
i = tasa de interés mensual
n = Años de vida útil de la turbina, 10 años como estándar de la industria eólica
Para hallar la energía generada a lo largo del año se utiliza la siguiente
expresión:
Eg = PnxFCx 4380
Ecuación 2
Donde:
Pn = Potencia nominal del equipo (KW)
FC = Factor de carga
8760 Cantidad de horas en un año
El factor de carga
Eg = 9kWhx 0,15 x 4380
Eg = 11826 kWh
FIGURA 14. Factor de carga para aerogeneradores4
En esta tabla se obtiene el valor del factor de carga según el valor obtenido de
la velocidad del viento presente en la zona 4m/s y la curva general del
funcionamiento de los aerogeneradores, suministrada por estudios de la NASA.
4
Curva empírica suministrada por la NASA para aerogeneradores de buena calidad
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Hallando Eg se reemplaza en la ecuación 1
CC =
91.900.000
x
11826kWh
0.18%
1
1−
(1 + 0.18%)10
CC = 1729$ / kWh
5.1.2. Costos de operación y de mantenimiento
Los costos de operación y de mantenimiento del equipo se considera que es el
2% del capital total invertido, según el análisis económico planteado por el INEA
para sistemas eólicos.
CIE
x0,02
Eg
Ecuación 3
$91.900.000
COM =
x0,002
11826kWh
COM = 16$ / kWh
COM =
5.1.3. Costo de reposición de equipos
El costo de reposición de equipos, teniendo en cuenta el momento de
sobrecarga de las baterías, y que tienen una vida útil de 5 años, se tiene
mediante la siguiente ecuación:
CRE =
VBB
x
Eg
i
1
1−
(1 + i ) n
Ecuación 4
Donde:
CER = Costo del banco de baterías ($/KWh)
VBB = Valor del banco de baterías ($)
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CRE =
$1.600.000
x
11826kWh
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0,18
1
1−
(1 + 0,18)10
CRE = 30.16$ / kWh
El costo total de la unidad generada mediante el sistema de aerogeneración,
CTEG, es la suma total de las ecuaciones anteriores;
CTEG=CC+COM+CRE
CTEG=($1729+$16+$30,16)/kWh
CTEG=1775,16$/kWh
5.2. COMPARACIÓN BENEFICIO/COSTO
La Isla se encuentra ubicada en una zona no interconectada, debido a esto no
posee abastecimiento de ningún operador de red de la zona debido a que se
encuentra en un territorio muy alejado de Cartagena.
Además es importante destacar que en esta isla no se ejerce ninguna actividad
turística, ni es visitada por personal que no esté autorizado por la
U.A.E.S.P.N.N (Unidad Administrativa Especial del Sistema de Parques
Nacionales Naturales); teniendo en cuenta que esta isla se mantiene
económicamente por el Ministerio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Social y la
U.A.E.S.P.N.N. La evaluación económica se orienta al comparativo económico
con la generación de una planta Diesel instalada actualmente en la Isla.
5.2.1. Total ingresos
Los ingresos se tienen en cuenta según el comparativo de generar electricidad
con una planta Diesel, (la cual ya existe dentro de la Isla), y la generación por
un sistema eólico; teniendo en cuenta el costo del electro combustible
$4.099.126 el galón en Cartagena en el mes de mayo del presente año, se
realizó un incremento del 10% por concepto del transporte a la isla; el consumo
de la planta es de 12,5 litros/hora (aproximadamente 2,5 galones/hora), y un
uso de 12 horas diarias, lo cual da un valor de $49.373.900 anuales para su
funcionamiento. Estos costos varían dependiendo del aumento del precio del
petróleo.4380 horas de funcionamiento de la planta por año.
6
www.minminas.gov.co
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Costo de generación por Diesel= $4.099x2,5galones/horax4380horas=$44.884.050
El costo total de energía generada por un sistema eólico en Isla Tesoro es de
$7.775.200,8 por año, teniendo en cuenta el costo del kilovatio/hora obtenido en
el numeral 4.6 y que la planta estará en funcionamiento aproximadamente 12
horas diarias.
Costo de generación por Energía eólica generada por el sistema de aerogeneración por
año= $1775,16x4380horas=$7.775.200
El total de ingresos por concepto de ahorro de energía de un sistema eólico con
respecto a un grupo electrógeno es de $37.108.854 anualmente.
total ingresos = Costo de generación por Diesel - Costo de generación por Energía eólica
total ingresos = $44.884.054 - $7.775.200 = $37.108.854
5.2.2. Total egresos
Se tiene en cuenta la inversión inicial del sistema eólico que es de $91.900.000.
Se halla el periodo de recuperación de capital:
n=
I
R
Donde:
I: Inversión inicial
R=total beneficios netos (ahorro de energía por generación eólica menos costos
de operación y mantenimiento anuales)
N=periodo de recuperación del capital
n=
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91.900.000
= 3apróx
40.569.754
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El periodo de retorno de la inversión es aproximadamente de 3 años, ya que al
calcular el V.P.N. nos damos cuenta que este periodo debe ser mayor, es decir
de aproximadamente cuatro años.
5.3. CRITERIO DE TOMA DE DECISIONES
Para cualquier tipo de proyecto, se debe tener en cuenta dos factores
importantes para la toma de decisiones, el valor presente neto y la tasa interna
de retorno.
5.3.1. Valor presente neto
Para el cálculo de este valor se debe tener en cuenta la inversión inicial, una
tasa de descuento apropiada, el número de periodos de liquidación, teniendo en
cuenta el periodo de retorno de la inversión y el valor presente de los flujos
periódicos que se obtienen de los ingresos brutos menos costos de operación y
mantenimiento y costos por reposición de equipos anuales.
VPN = − I +
Rn
R1
R2
+
+ ...
2
(1 + i ) (1 + i)
(1 + i ) n
Donde,
I=inversión inicial =$91.900.000
n=número de periodos de liquidación=4 años
i=tasa de interés adecuada=%18
R=flujos periódicos (anual)= $37.108.854-$16 - $30 = $37.108.808
Como ingreso bruto se tiene encuentra el valor por ahorro de energía
generando con un sistema eólico con respecto a un sistema electrógeno, ya
que no existe ningún otro concepto por retorno de inversión.
El Valor presente neto es de $7.950.822., esto quiere decir que
económicamente el es viable en un periodo 3 años ya que la VPN arrojó un
valor positivo. Este proyecto es viable desde el punto de vista social y ambiental
y económico, para un periodo de 4 años.
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FIGURA15. Flujo de fondos
FLUJO DE FONDOS
millones de pesos
40000000
20000000
0
-20000000
1 2
3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
inversión
ingresos
-40000000
egresos
-60000000
-80000000
-100000000
periódo (anual)
Fuente: elaboración propia
La figura 9 es el flujo de fondos, el cual se tomo una vida útil del proyecto a 10
años, tomando como ingresos anuales el ahorro de combustible por generación
eólica, teniendo dichos ingresos en un período de 4 años (tiempo de retorno de
inversión). Se realiza un incremento del 10% cada 7 años para la reparación y
mantenimiento de los equipos.
5.3.2. Tasa interna de retorno
Es aquella tasa con la cual el valor presente neto se hace cero.
VPN = − I +
Rn
R1
R2
+
+ ...
=0
2
(1 + i ) (1 + i )
(1 + i ) n
La tasa interna es de %40 anual, lo cual implica que el periodo de retorno de la
inversión es de 4 años. La forma de calcularla es de iterativa a prueba y error,
la herramienta utilizada para realizar el calculo fue Exel.
inversión
1 periodo
2 periodo
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-91.900.000
31.456.281,4
26.657.865,6
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3 periodo
4 periodo
TIR(anual)
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22.591.411,5
19.145.264
%40
Sistema eólico
7.775.200 anuales
91.900.000 inversión inicial
Los egresos anuales por generación eólica son de $7.775.200 anuales, que
incluye costos de operación y mantenimiento; cada siete años se realiza un
incremento del 9% por reparación de los equipos.
Sistema Diesel
44.884.300 anuales
Los egresos anuales por generación de energía por un sistema Diesel son de
$44.884.300, incluye costos de combustible, transporte a la isla; se realiza un
incremento del 9% cada 7 años por reparación y mantenimiento de los equipos.
Realizando una comparación entre las gráficas anteriores podemos comprobar
que los egresos anuales por generación eólica son menores y el tiempo de vida
útil (aproximadamente 20 años), que los egresos generados por un sistema
Diesel y la vida útil de este equipo (aproximadamente 10 años). Aunque es
importante resaltar que para el estudio económico que se hizo se tomo un
tiempo de vida igual para los dos sistemas (10 años).
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6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1. Técnicamente es viable ubicar un sistema eólico como fuente de
generación de energía en el parque Nacional Natural Corales del Rosario, en
Isla Tesoro, debido a la disponibilidad del recurso (velocidad de viento en la
Isla (4m/s)), además el sitio posee una infraestructura apropiada para ubicar los
equipos.
2. Económicamente la inversión es de $91.900.000, esto equivale a la
adquisición de equipos, mantenimiento y obras civiles, transporte al sitio y
puesta en servicio del sistema de aerogeneración. El periodo de tiempo de
retorno de la inversión es de 4 años, comparándolo con la generación por
planta Diesel actualmente instalada en la isla, teniendo en cuenta que el Valor
Presente Neto arrojó un valor positivo de $7.950.822 y el Tiempo de Retorno de
la Inversión es del %40 anual, el proyecto es viable económicamente.
3. El diagnóstico del sistema de aerogeneración arrojó como resultados, el
funcionamiento de los aerogeneradores, después de la reparación del rotor y la
carcaza, cambio de las baterías, el inversor, soportes, tensores y conductores.
4. Ambientalmente, es favorable instalar este sistema en Isla Tesoro para
evitar contaminación debida a grupos electrógenos (planta Diesel), ya que de
acuerdo a las políticas de la U.A.E.S.P.N.N es importante la preservación de los
parques Nacionales Naturales como Corales del Rosario. Cada kW/h de
electricidad generada por energía eólica se evita 0.60 Kg de CO², 1.33 gr de
SO² y 1.67 de NO, ni contribuye al efecto invernadero, ni a la lluvias ácidas, no
origina productos secundarios peligrosos ni residuos contaminantes de ahí el
incremento de su empleo en los países desarrollado.
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5. Consecuentemente, se debe seguir favoreciendo el avance del
aprovechamiento eólico como fuente de energía imprescindible, fácil de
manejar, de gran potencial y capaz de alcanzar en un plazo de veinte años un
segmento de producción equivalente al 10% de la electricidad mundial.
6.1 Recomendaciones:
1. En caso de optar por la energía eólica, se debe calificar y cualificar al
personal que se va a responsabilizar del manejo de equipos.
2. El sitio donde se ubiquen los quipos deben contar con especificaciones
técnicas que permitan la preservación de éstos.
3.
Dar mantenimiento continuo y permanente a la infraestructura.
4. Se debe realizar un análisis mas profundo en el momento de la puesta en
servicio del sistema de expertos para un óptimo funcionamiento del sistema.
6. El éxito o fracaso de este sistema eólico depende de un adecuado uso y
supervisión por parte del personal encargado del sistema.
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