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Energía Eólica

Ton van der Wekken y

Fred Wien

Con la colaboración de Víctor Criado – UPM - Madrid

Contenidos

Introducción a la energía eólica Tecnología de las turbinas eólicas Tendencias para el futuro Costes Visión general del desarrollo de parques eólicos

Desarrollo de las turbinas eólicas desde 1980

130 m Ø

12 m Ø

1980 2007

De la Energía Eólica a la Eléctrica

Potencia (traslación) = fuerza x velocidad (P=F x V) oPotencia (rotación) = par x velocidad angular (P=T x )

Pviento = [Cp 1/2 V2 A] V

Cp eficiencia (“Betz” max. = 16/27)

1/2 V2 presión dinámica para 1 m2

densidad del aire (~1.22 kg/m3)V velocidad del vientoA área total del rotor

El viento a través del área del rotor

Fuerzas en las palas del rotor

Flujo y Fuerzas con más detalle

dirección del viento

dirección rotacional del rotor

velocidad angular

velocidad del viento

velocidad del viento resultante

Resistencia

Sustentación

Principios de Conversión de Viento a Electricidad

De Resistencia (Savonius): Eficiencia baja: 10% a 15%

De Sustentación con rotor horizontal de 2 o 3 palas: Eficiencia alta: 45 a 50%

De Sustentación con rotor vertical(Darrieus): Eficiencia moderada: ~30%

Curva de Potencia – Velocidad (P-V)

30 25 20 15 10 0 5

potencia específica

75%

50%

25%

100%

0

controlado por Pérdida controlado por Inclinación

potencia en el viento (ρ/2).A.V3

potencia maxima teórica utilizable (ρ/2).A.V3.(16/27)

curvas de potencia reales (ρ/2).V3.A.Ce

Velocidad del viento no perturbada (m/s)

Tecnología tradicional:Turbina Eólica con caja multiplicadora

Alternativa técnica:Turbina Eólica con Transmisión Directa (sin caja multiplicadora)

Finalidad del control de potencia en una turbina: limitar la potencia con mucho viento Velocidad de rotor constante

Las palas no se inclinan

Generador directamente conectado a la red

Control de potencia por Pérdida Aerodinámica

Desventaja: no muy apropiado para grandes turbinas (escala de MW)

Velocidad de rotor variable

Es necesario un convertidor de frecuencia para la conexión a la red

Control de potencia por la inclinación de las palas

Ventaja: apropiado para grandes turbinas (escala de MW)

Turbinas eólicas de velocidad constante

Turbinas eólicas de velocidad variable

Certificación de las turbinas eólicas

Certificado-tipoAntes de que comience la construcción es obligatorio

disponer de un certificado vigente. El certificado declara que

se cumplen las normas básicas de seguridad

StandardsIEC 61400-1 “Wind Turbine Safety”. Algunos países europeos tiene su propios standards de

turbinas eólicas (Dinamarca, Alemania)

Sistemas de seguridad de los aerogeneradores Objetivo: mantener la turbina eólica dentro de las

especificaciones de diseño y condiciones de seguridad bajo todas las circunstancias posibles.

Certificado tipo: exige 2 sistemas de seguridad independientes (por ejemplo,freno aerodinámico y mecánico)

Tendencia: a diseñar 3 sistemas de inclinación de palas independientes, incluyendo 3 baterías de reserva

Tendencias hasta 2012

En tierra, de 5 a 6 MW por turbina, altura de torre de hasta 130 m

Crecimiento del mercado offshore, de 7 a 8 MW por turbina

Velocidad variable con control de inclinación de las palas

Desarrollo de las distintas transmisiones : Caja de Cambios, Transmisión Directa e Híbrida

Crecimiento del nicho de las mini-turbinas en entorno urbano [0,5 a 5 kW].

Desglose de costes de la Energía Eólica

Desglose de costes de la Energía Eólica

2000 horas a plena carga[EUR/MWh]

2500 horas a plena carga[EUR/MWh]

Inversión (12 años, tipo de interés 4%)

40 a 50 30 a 40

Operación y mantenimiento incluyendo las revisiones generales

12 12

Otros gastos de funcionamiento 8 8

Total 60 a 70 50 a 60

Atlas Europeo de “Energía Eólica”

Fases del desarrollo de un parque eólico

Iniciación y estudio de viabilidad (continuar / no continuar) Fase de Pre-construcción (continuar / no continuar) Construcción Operación y mantenimiento

Tiempo de desarrollo: De ½ a más de 5 años

Tiempo de construcción: De 1 a 2 años

Vida util: 20 años

Caso de estudio: desarrollo de un parque eólico de 10 MW 5 aerogeneradores de 2 MW Velocidad media del viento de

7 m/s Altura de torre, 80 metros Diámtro del rotor, 80 metros,

con 3 palas Cimiento octangular,

18 x18 x 2 m Góndola: 100 toneladas Torre: 200 toneladas

Iniciación y fase de viablidad ¡Encontrar un sitio apropiado! Comprobar el plan para la zona, los otros usos posibles y las

limitaciones a la construcción Posiblidades de conexión a la red Tarifas y subvenciones a la Energía Eólica Separación de los aerogeneradores la distancia equivalente a 5

diámetros (~400 metros) Longitud requerida ~1.600 metros Ausencia de edificios en 300 o 500 metros (ruido o molestias creadas

por la sombra) Lo más lejos posible de los obstáculos Las Autoridades u otros grupos pueden pedir un análisis de riesgos

Estimación anual de la producción de Energía

7.0 m/s 7.5 m/s 8.0 m/s

8.5 m/s Velocidad media del viento

Factor de forma de la distribución de Weibull, k=2 Potencia del parque eólico (MW)

10 10 10 10

Producción total anual de Energía (MWh)

27,000 31,000 34,000 37,000

Horas equivalentes a plena carga

2,700 3,100 3,400 3,700

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324

m/s

Ho

urs

per

yea

r

Costes de inversión de un parque eólico de 10 MW: ~1,25 M€/MW

Costes de inversión - nivel de precios de 2006 -

Costes por aerogenerador

[K€]

Costes del parque eólico [K€]

Costes de preparación 100 500

5 aerogeneradores de 2 MW cada uno

2,000 10,000

Obra civil e infraestructura eléctrica

200 1,000

Conexión a la red 200 1.000

INVERSIÓN TOTAL (año 1) 2,500 12,500

Renovación (al año 10) - nivel de precios de 2006 -

250

1,250

TOTAL 2,750 13,750

Costes de Operación y Mantenimiento de un parque eólico de 10 MW: ~42.5 k€/MW

Costes de operación anuales - nivel de precios de 2006 -

Costes por aerogenerador

[K€]

Costes del parque eólico [K€]

Servicio, mantenimiento y seguros de la turbina eólica

50 250

Impuestos locales y conexión a red 10 50

Arrendamiento del terreno 15 75

Gestión diaria 5 25

Consumo de electricidad propio 5 25

TOTAL 85 425

Cálculo del Cashflow: intervalo de 20 años de vida útil(no

incluidos los costes financieros)

Cálculo del cashflow para el parque eólico de 10 MW basado en un plazo de 20 años

de vida y el nivel de precios de 2006:

Tarifa subvencionada 60 €/MWh 85 €/MWh

Ingresos totales 1.47 M€/año 2.08M€/año

Periodo de amortización > 15 años > 9 años

Valor actual neto (NPV) 6.1 M€ 17.7 M€

Rentabilidad (IRR) 4% 11%

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