evaluación del potencial de energía eólica en el municipio de ixtlán del río, nayarit

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3er. Congreso de Mantenimiento Industrial, 12 y 13 de agosto de 2010, San Juan del Río, Querétaro Número de Referencia del artículo Pag. 1 EVALUACIÓN DEL POTENCIAL DE ENERGÍA EÓLICA EN EL MUNICIPIO DE IXTLÁN DEL RÍO, NAYARIT J de la Cruz-Soto J. A. Flores-Guzmán [email protected] [email protected] Universidad Tecnológica de Nayarit Universidad Tecnológica de Nayarit Resumen: En el presente trabajo de investigación se exhibe el potencial eólico con que cuenta el municipio de Ixtlán del Río, Nayarit, en donde utilizando datos operativos reales de un aerogenerador y un histórico anual de la velocidad del viento, se establece la energía entregada en un año por una unidad eólica con características aquí descritas. Además, se da a conocer que podría abastecerse la demanda de alumbrado público en el estado, utilizando el recurso eólico con que se cuenta. Palabras Clave: potencial eólico, perfil del viento, eficiencia energética. Introducción Lo beneficios económicos y sociales que conlleva la inclusión de fuentes renovables para la generación de electricidad, se vienen haciendo presentes en México ya desde hace algunos años, en donde actualmente (Mayo 2010) existen 2,671.55 MW de proyectos eólicos en sus fases de operación, construcción y por iniciar obras [6,2]. Se cuenta con parques de aerogeneración desde los que se tiene en Oaxaca que se encuentran conectados a la red de 230 kV, hasta proyectos híbridos (Aerogeneradores, Celdas solares y combustión interna) para electrificar comunidades rurales funcionando como sistemas aislados que cuentan con generadores eólicos desde 5 hasta 38 KW de capacidad [1]. La instalación mundial de generadores eólicos ha presentado incrementos considerables en los últimos 10 años, ya que ha pasado de 24,322 MW en 2001 hasta 159,213 MW en 2009 y se espera que para finales de 2010 se cuente con una capacidad mundial instalada de 203,500 MW [3]. La Figura 1 ilustra el crecimiento mundial de los generadores eólicos en la última década. Países como Estados Unidos, China, Alemania y España cuentan con el 66.1 % de la capacidad mundial Instalada para 2009, debido tanto por contar con las condiciones favorables para la instalación de este tipo de tecnologías, como por esfuerzos enfocados para promover el desarrollo y uso de fuentes alternas de generación de electricidad. La Tabla 1, muestra los primeros diez países que cuentan con mayor capacidad instalada de aerogeneradores. Fig. 1. Capacidad Mundial Instalada hasta 2009 Tabla 1. Países con Mayor capacidad instalada en 2009 País Capacidad Instalada (MW) Estados Unidos 35,159 China 26,010 Alemania 25,777 España 19,143 India 10,925 Italia 4,850 Francia 4,521 Reino Unido 4,092 Portugal 3,535 Dinamarca 3,497 El artículo se encuentra organizado de la siguiente forma: En la sección 2, se describe el panorama de la energía eólica en México, su proyección a nivel mundial y los proyectos que actualmente se encuentran en activo. La sección 3 habla sobre el perfil del viento __________________________________________________ Los autores forman parte de la División Electromecánica Industrial de la Universidad Tecnológica de Nayarit. Carretera Federal 200 Km 9, Xalisco, Nayarit, México C.P. 63780. Año Capacidad Instalada (MW) 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 50,000 100,000 150,000 200,000 P r e d i c c i ó n Fuente: World Wind Energy Report 2009. 24,322 31,181 39,295 47,693 59,024 74,122 93,930 120,903 159,213 203,500

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En el presente trabajo de investigación se exhibe el potencial eólico con que cuenta el municipio de Ixtlán del Río, Nayarit, en donde utilizando datos operativos reales de un aerogenerador y un histórico anual de la velocidad del viento, se establece la energía entregada en un año por una unidad eólica con características aquí descritas. Además, se da a conocer que podría abastecerse la demanda de alumbrado público en el estado, utilizando el recurso eólico con que se cuenta.

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Page 1: Evaluación del Potencial de Energía Eólica en el Municipio de Ixtlán del Río, Nayarit

3er. Congreso de Mantenimiento Industrial,

12 y 13 de agosto de 2010, San Juan del Río, Querétaro

Número de Referencia del artículo Pag. 1

EVALUACIÓN DEL POTENCIAL DE ENERGÍA EÓLICA

EN EL MUNICIPIO DE IXTLÁN DEL RÍO, NAYARIT

J de la Cruz-Soto J. A. Flores-Guzmán

[email protected] [email protected]

Universidad Tecnológica de Nayarit Universidad Tecnológica de Nayarit

Resumen: En el presente trabajo de investigación se

exhibe el potencial eólico con que cuenta el municipio

de Ixtlán del Río, Nayarit, en donde utilizando datos

operativos reales de un aerogenerador y un histórico

anual de la velocidad del viento, se establece la energía

entregada en un año por una unidad eólica con

características aquí descritas. Además, se da a conocer

que podría abastecerse la demanda de alumbrado

público en el estado, utilizando el recurso eólico con

que se cuenta.

Palabras Clave: potencial eólico, perfil del viento,

eficiencia energética.

Introducción Lo beneficios económicos y sociales que conlleva la

inclusión de fuentes renovables para la generación de

electricidad, se vienen haciendo presentes en México ya

desde hace algunos años, en donde actualmente (Mayo

2010) existen 2,671.55 MW de proyectos eólicos en sus

fases de operación, construcción y por iniciar obras

[6,2]. Se cuenta con parques de aerogeneración desde

los que se tiene en Oaxaca que se encuentran

conectados a la red de 230 kV, hasta proyectos híbridos

(Aerogeneradores, Celdas solares y combustión interna)

para electrificar comunidades rurales funcionando

como sistemas aislados que cuentan con generadores

eólicos desde 5 hasta 38 KW de capacidad [1].

La instalación mundial de generadores eólicos ha

presentado incrementos considerables en los últimos 10

años, ya que ha pasado de 24,322 MW en 2001 hasta

159,213 MW en 2009 y se espera que para finales de

2010 se cuente con una capacidad mundial instalada de

203,500 MW [3]. La Figura 1 ilustra el crecimiento

mundial de los generadores eólicos en la última década.

Países como Estados Unidos, China, Alemania y

España cuentan con el 66.1 % de la capacidad mundial

Instalada para 2009, debido tanto por contar con las

condiciones favorables para la instalación de este tipo

de tecnologías, como por esfuerzos enfocados para

promover el desarrollo y uso de fuentes alternas de

generación de electricidad. La Tabla 1, muestra los

primeros diez países que cuentan con mayor capacidad

instalada de aerogeneradores.

Fig. 1. Capacidad Mundial Instalada hasta 2009

Tabla 1. Países con Mayor capacidad instalada en 2009

País Capacidad Instalada

(MW)

Estados Unidos 35,159

China 26,010

Alemania 25,777

España 19,143

India 10,925

Italia 4,850

Francia 4,521

Reino Unido 4,092

Portugal 3,535

Dinamarca 3,497

El artículo se encuentra organizado de la siguiente

forma: En la sección 2, se describe el panorama de la

energía eólica en México, su proyección a nivel

mundial y los proyectos que actualmente se encuentran

en activo. La sección 3 habla sobre el perfil del viento

__________________________________________________

Los autores forman parte de la División Electromecánica

Industrial de la Universidad Tecnológica de Nayarit. Carretera

Federal 200 Km 9, Xalisco, Nayarit, México C.P. 63780.

Año

Cap

acid

ad I

nst

alad

a

(MW

)

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

50,000

100,000

150,000

200,000

P r

e d

i c

c i

ó n

Fuente: World Wind

Energy Report 2009.

24

,322

31

,181

39

,295

47

,693

59

,024

74

,122 93

,930 1

20,9

03

15

9,2

13

203,500

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3er. Congreso de mantenimiento industrial,

12 y 13 de agosto de 2009,San Juan del Río, Querétaro

Pag. 2

en función de su altura y las variables principales

requeridas para establecer el potencial del viento en un

punto. En la sección 4 se evalúa el potencial eólico en

el municipio de Ixtlán del Río. Las conclusiones y

trabajos futuros son expuestos en la sección 5.

Energía del viento en México En la actualidad, México viene experimentando

incrementos significativos en la capacidad instalada de

generadores eólicos, ya que de 2008 a 2009 incrementó

en casi 400 % sus parques eólicos según datos

mostrados en [3], siendo así el país con mayor

porcentaje de incremento en capacidad instalada, en

2009, llegando a niveles de 402 MW de capacidad

instalada según información de la Asociación Mundial

de Energía Eólica (WWEA) por sus siglas en ingles

World Wind Energy Association.

En la Figura 2 se muestran los primeros diez países a

nivel mundial con mayor incremento en porcentaje de

su capacidad instalada de unidades eólicas.

Fig. 2. Países con mayor tasa de crecimiento

En cuanto a sitios que cuentan a nivel nacional con

potencial en el recurso eólico, se pueden mencionar los

siguientes [4]: La Rumorosa en Baja California, la zona

de guerrero negro en Baja California Sur, el Cerro de la

Virgen en Zacatecas, la costa de Tamaulipas, la zona de

Campeche, el istmo de Tehuantepec, la Península de

Yucatán y evidentemente Oaxaca

Sin embargo, existe gran parte del territorio nacional en

donde es necesario llevar a cabo estudios para

establecer zonas factibles y determinar sus potenciales.

En la década de los 90’s se llevaron a cabo la

instalación de algunos parques eólico en pequeña

escala, los cuales son mostrados en la Tabla 2.

Actualmente, la mayoría de estos proyectos se

encuentran en operación, salvo casos que por

cuestiones técnicas o sociales se encuentran fuera de

servicio.

En la Tabla 3, se muestra información publicada por la

Secretaría de Energía (SENER) y la Comisión

Reguladora de Energía (CRE) [2,6], en donde se

especifican datos de Plantas Eoloeléctricas en sus fases

operativas, constricción y por iniciar obras para Mayo

de 2010.

Tabla 2. Generadores eólicos instalados de 1990-2000

Año Proyecto

Capacidad

(kW)

1992 X-calack, Quintana Roo 60

1993 Rancho Salinas, Oaxaca 10

1993 Isla Arenas, Campeche 3

1994 Central Eólica La venta I, Oaxaca 1,575

1995 El Gavillero, Hidalgo 2

1996 Rancho Minerva, Oaxaca 1.5

1996 Costa de Cocos, Quintana Roo 7.5

1997

Puerto Alcatraz, Isla Santa

Margarita, B.C.S.

10

1998

Central Eólica Guerrero Negro,

B.C.S.

600

1999 San Juanico, B.C.S. 100

Tabla 3. Proyectos Eoloeléctricos en México

Estado Capacidad del Plantas

(MW)

Operación 547.4

Construcción 1557.35

Por iniciar obras 566.8

Total 2,671.55

Sin duda, México empieza a posicionarse entre los

países que más llevan a cabo la explotación de recursos

renovables, sin embargo, son necesarios mayores

esfuerzos ya que existe potencial aún sin utilizar, no

solo en materia eólico, sino también en minihidráulica,

geotérmina y biomasa.

Perfil de Velocidad y Potencial del Viento Se considera que la velocidad del viento se afecta por

diferentes factores [7], entre los que se pueden

mencionar:

Factores naturales. Temperatura, vegetación natural,

estaciones del año, cultivos, orografía del terreno.

Factores artificiales. Obstáculos permanentes y

temporales de construcciones, tales como edificios,

cercas, casas, etc.

Existen expresiones teóricas utilizadas para determinar

los perfiles de velocidad del viento según la altura de

donde se cuente con la información. La más común y

simple de estas expresiones, es la Ley exponencial de

Hellmann, que es utilizada para relacionar la velocidad

del viento en alturas distintas al contar con la velocidad

Porcentaje de crecimiento 2008-2009

Ca

pacid

ad

Insta

lad

a

(MW

)

%

0 50 100 150 200 250 300 350 400

México

Turquía

China

Marruecos

Brasil

Hungría

Nueva Zelanda

Suiza

Bélgica

Polonia

Fuente: World Wind

Energy Report 2009.

Page 3: Evaluación del Potencial de Energía Eólica en el Municipio de Ixtlán del Río, Nayarit

3er. Congreso de mantenimiento industrial,

12 y 13 de agosto de 2009,San Juan del Río, Querétaro

Pag. 3

Velocidad del viento (m/s)

Efi

cien

cia

(%)

0 5 10 15 20 25 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

para cierto nivel de referencia. Esta Ley se expresa de

la siguiente forma:

0 0

v H

v H

(1)

donde v es la velocidad a la altura H , 0v la velocidad

de la altura 0H y es el coeficiente de fricción o

exponente de Hellman. Este coeficiente está en función

del tipo de terreno donde se está midiendo la velocidad

del viento [7, 12], a menudo este valor es tomado como

1/7 ya que describe bastante bien perfiles del viento

para alturas entre 1.5 y 122 m durante condiciones casi

neutrales (adiabáticas). En [7] se pueden encontrar

coeficientes de fricción para distintos tipos de terreno.

En cuanto a la energía generada por el viento, todas las

referencias encontradas en la literatura para establecer

el potencial de energía eólica en un punto, coinciden en

que la ecuación es la siguiente:

31

2TP Av

(2)

donde P es la potencia real en Watts, es la

densidad del aire en el punto a tratar en kg/m3 y está en

función de la altura sobre el nivel del mar, temperatura

y menor grado humedad, A es el área del rotor en m2,

v es la velocidad del viento en m/s [12] y se le agrega

T que es la eficiencia total del aerogenerador.

Por otra parte, las unidades eoloeléctricas muestran la

característica operativa que se ilustra en la Figura 3, en

donde las velocidades de arranque y paro pueden variar

en función de la capacidad y diseño de la unidad.

Fig. 3. Curva típica de operación para unidades eólicas

De la misma forma que los aerogeneradores cuentan

con características operativas similares en función de la

velocidad del viento, se presentan también curvas de

eficiencia con el mismo comportamiento.

En la Figura 4, se muestra la curva de eficiencia real de

un generador eólico que cuenta con aspas de 47 m. de

diámetro, con un centro de rotor a 50 m. de altura y 660

kW de capacidad, dicho aerogenerador es marca Vesta

© modelo V47-660 [11].

Fig. 4. Eficiencia del generador eoloeléctrico Vesta V47-660

Se observa como la eficiencia de los aerogeneradores

presentan cambios significativos en función de la

velocidad del viento, por lo que un análisis detallado

para el diseño y operación de parques eólicos, requiere

considerar los parámetros mostrados en la Figura

anterior.

Evaluación del Potencial Eólico en el Municipio

de Ixtlán del Río, Nayarit En materia de energía eólica, no se tiene registro de

estudios realizados sobre el potencial de generación

para el estado de Nayarit, en el cual según datos

proporcionados por [5], existen al menos dos puntos en

donde la velocidad del viento a través del año cuenta

con incrementos significativos que permiten llevar a

cabo la generación de energía eléctrica por medios

eólicos.

En la Figura 5, se muestra el perfil del viento de un

punto en el municipio de Ixtlán del Río, en donde se

observa que a través del año, se tienen gran cantidad de

horas en las cuales se sobrepasa la velocidad de

arranque del aerogenerador Vesta V-47-660

Los datos de las velocidades del viento fueron

obtenidos a 2 metros de altura, sin embargo con ayuda

de la Ley exponencial de Hellmann, mostrada en la

ecuación (1), se obtuvo la velocidad aproximada a 50

metros de altura.

Velocidad del viento (m/s)

Po

ten

cia

de

sali

da

(Wat

t)

Sin

generación

Eficiencia máxima

del rotor

Potencia nominal, reduce la

eficiencia del rotor Sin

generación

5 10 15 20 25 30

Page 4: Evaluación del Potencial de Energía Eólica en el Municipio de Ixtlán del Río, Nayarit

3er. Congreso de mantenimiento industrial,

12 y 13 de agosto de 2009,San Juan del Río, Querétaro

Pag. 4

Fig. 5. Frecuencia de velocidades del viento en 2007

En la Tabla 4 se muestran los datos utilizados para

calcular el potencial de generación a través de unidades

eólicas en Ixtlán.

Tabla 4. Parámetros utilizados para calcular el potencial del viento

Parámetro Valor o tipo

T. Promedio (2007) [6] 19.9o C

Densidad del aire [12] 1.204 kg/m3

Diámetro del rotor 47 m.

Altura del centro del

rotor

50 m.

Capacidad del

Aerogenerador

660 KW

Marca y modelo del

Aerogenerador

Vesta V47-660

Los parámetros utilizados de eficiencia y velocidad del

viento son los mismos que se muestran en las Figuras 4

y 5 respectivamente. Sin embargo con el fin de

simplificar el cálculo del potencial, fue necesario

obtener promedios de la eficiencia del aerogenerador

para intervalos de velocidad de 1 m/s, de tal forma que

resultó la Figura 6, en donde solo se muestran los

promedios de eficiencia para velocidades por encima de

4 m/s, por ser la velocidad de arranque de la unidad

menciona y hasta 19 m/s, por ser la velocidad máxima

registrada en la zona monitoreada.

Entonces considerando los datos antes mencionados se

lleva a cabo el cálculo del potencial eólico, donde

inicialmente se escala la velocidad del viento de 2 a 50

metros con la ecuación (1), resultando así la Figura 5,

para posteriormente con la ecuación (2), obtener el

potencial de generación de energía eléctrica en el punto

de referencia.

El potencial de generación anual para los parámetros de

velocidades del viento presentados en 2007 y con los

datos mostrados en la Tabla 4 y Figura 6 es de 796.21

MW-h, contando con un factor de planta del 13.88 % y

un factor de operación de 35.58 %.

Fig. 6. Promedios de eficiencia del generador eoloeléctrico Vesta V47-660

Cabe mencionar que el municipio de Ixtlán del Río

contó con un consumo de energía eléctrica en

alumbrado público de 1,046 MW-h para el 2008 [10],

por lo que solo dos unidades con las características

antes mencionadas podrían satisfacer fácilmente el

consumo de energía en alumbrado público para este

municipio.

El estado de Nayarit presentó en 2008, un consumo de

energía eléctrica en alumbrado público igual a 33,693

MW-h [10], por lo que no es lejana la posibilidad de

satisfacer la demanda de alumbrado público del estado

a través de energía eléctrica proporcionada por

unidades eólicas, ya que además del municipio de

Ixtlán del Río, se cuenta con datos que muestran

velocidades del viento superiores en el municipio de

San Pedro Lagunillas.

En la Tabla 5, a manera de comparación se muestran

los costos unitarios de generación [8] para unidades

eólicas, turbogas y combustión interna.

Tabla 5 Costo Unitario de Generación, Precios medios del 2009

($/MW-h)

Central

Combustible

Inversión

Costo

($/MW-h)

Combustible

O & M

Total

Eólica Viento [8]

1,392.8 0 164.8 1,557.7

Turbo-

gas

Gas 789.6 1,249.5 88.7 2,127.9

Combu-stión

interna

Diesel 401.2 2,409.8 232.9 3,044.0

De la tabla anterior se observa como el mayor impacto

económico en las plantas eólicas se presenta en la

inversión, sin embargo, los costos del combustible son

cero, por lo que resulta en muchos casos la opción más

económica y la que se debe explotar, siempre y cuando

se cuente con el recurso.

0 1250 2500 3750 5000 6250 7500 8750 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Horas

Vel

oci

dad

del

vie

nto

(m/s

)

h

Velocidad del viento (m/s)

Efi

cien

cia

(%)

0 5 10 15 20 25 0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Page 5: Evaluación del Potencial de Energía Eólica en el Municipio de Ixtlán del Río, Nayarit

3er. Congreso de mantenimiento industrial,

12 y 13 de agosto de 2009,San Juan del Río, Querétaro

Pag. 5

Conclusión y Trabajos Futuros Con el presente estudio realizado, resulta claro que el

estado de Nayarit cuenta con las condiciones para llevar

a cabo la instalación de parques eólicos, sin embargo,

son necesarios mayores esfuerzos para determinar los

lugares adecuados en donde establecer estos parques,

así como obtener cifras aproximadas del potencial de

generación de electricidad por medio eólicos con que se

cuenta, esto a través de la instalación de estaciones de

monitoreo de los diversos parámetros requeridos para

establecer el potencial.

Referencias

[1] M. E. González Ávila, L. F. Beltrán Morales, E. Troyo Diéguez

y A. Ortega Rubio, “Potencial de Aprovechamiento de la

Energía Eólica para la Generación de Energía Eléctrica en

Zonas Rurales de México,” Interciencia, abril 2009, año/vol. 31,

número 004, Asociación Interciencia, Caracas, Venezuela. pp. 240-245.

[2] SENER, subsecretaría de Electricidad, “Estadísticas de

Energía, Capacidad Efectiva de Generación,” Disponible en: http://www.sener.gob.mx/webSener/portal/index.jsp?id=71.

[3] WWEA, “World Wind Energy Report 2009,” 9th World Wind

Energy Conference & Exhibition Large-scale Integration of Wind Power. Stanbul, Turkey 15-17 June 2010.

[4] United Stated Agency Internatinal Development, “Elementos

para la Promoción de la Energía Eólica en México,” Marzo 2009.

[5] Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y

Pecuarias (INIFAP), Campo Experimental Santiago Ixcuintla, Nayarit. www.inifap.gob.mx.

[6] CRE, Permisos administrados vigentes al 31 de Mayo de 2010,

Disponible: http://www.cre.gob.mx/articulo.aspx?id=171.

[7] F. Bañuelos Ruedas, C. Ángeles Camacho, J. A. Serrano García

y D. E. Muciño Morales, “Análisis y validación de Metodología

Usada Para la Obtención de Perfiles del Velocidad de Viento,” Reunion de Verano, RVP-AI/2008, Acapulco Gro., del 6 al 12

de Julio del 2008.

[8] CFE, Subdirección de Programación Coordinación y Evaluación, “Costos y Parámetros de Referencia para la

Formulación de Proyectos de Inversión en el Sector Eléctrico

2009,” 29.a edición.

[9] H. Brendstrup, “Desarrollo y Fabricación de Aerogeneradores

de Alta Potencial con Tecnología Propia 1.5 MW Para Vientos

Clase I,” INVAP Ingeniería, Noviembre de 2009.

[10] Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI),

“Anuario Estadístico Nayarit 2009,” México: INEGI, c2009.

[11] E. R. Luna Maldonado, “Evaluación del Potencial Eólico y Propuesta Preliminar para la Instalación de un Parque

Aerogenerador en el Área de la Chocolatera – Puntilla de Santa Elena,” Tesis de Ingeniería, Escuela Superior Politécnica del

Litoral, Guayaquil, Ecuador, 2008.

[12] Masters, GM. Renewable and Efficient Electric Power Systems. USA John Wiley and Sons, 2004.

Currículum corto de los autores Javier de la Cruz-Soto Ingeniero Eléctrico por parte del ITSON

en 2007 y M.C. en Ingeniería Eléctrica, del Instituto Tecnológico de

Morelia en 2009. Actualmente es Profesor de Tiempo Completo en la

División Electromecánica Industrial de la Universidad Tecnológica de Nayarit (e-mail: [email protected]).

Jorge Alfonso Flores Guzmán Ingeniero Electricista por parte del Instituto Tecnológico de Tepic en 1994 y M.C. en Ingeniería

Eléctrica, del Instituto Tecnológico de Morelia en 1998. Actualmente

es Director de la División Electromecánica Industrial de la Universidad Tecnológica de Nayarit (e-mail:

[email protected]).