evaluación del potencial de energía eólica en el municipio de ixtlán del río, nayarit
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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.TRANSCRIPT
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
3er. Congreso de mantenimiento industrial,
12 y 13 de agosto de 2009,San Juan del Río, Querétaro
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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.
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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
3er. Congreso de mantenimiento industrial,
12 y 13 de agosto de 2009,San Juan del Río, Querétaro
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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
3er. Congreso de mantenimiento industrial,
12 y 13 de agosto de 2009,San Juan del Río, Querétaro
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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: