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uNIVerSIdad de SaN BueNaVeNtura medellíN

18. ESTIMACIÓN DEL POTENCIAL DE ENERGIA EÓLICA EN UNA UBICACIÓN URBANA DEL NOROCCIDENTE DE LA CIUDAD DE

MEDELLIN

Gustavo Adolfo Meneses Benavides 1, a, Carlos Ignacio Guzmán Mejía 1, b, Jimmy Darwin Castrillón Ciro 1, c

1 Universidad de San Buenaventuraa [email protected], b [email protected],

c [email protected]

Introducción

Las energías alternativas se han establecido en el mundo actual como un muy importante renglón dentro del escenario energético ya que a partir de estas pueden desarrollarse soluciones limpias que ayuden a enfrentar grandes problemáticas postmodernas como la crisis energética y el calentamiento global. A nivel mundial los sistemas basados en energías alternativas, principalmente los de energía solar fotovoltaica, los basados en energía eólica e incluso los sistemas mixtos de generación fotovoltaica-eólica, han sido adoptados progresivamente como una opción tecnológica real y han sido integrados operativamente a sistemas energéticos de todas las escalas, desde macroproyectos a microproyectos, y de todas las naturalezas, de lo investigativo a lo productivo [1,2,3,4 y 5]. Aunque este proceso de adopción tecnológica e integración operativa se haya dado de manera significativainicialmentesoloenlospaísesmásdesarrollados,enlosúltimostiempos,apartedemantenerseenestos, también se ha ido dando de manera gradual y progresiva en países de posibilidades sociales, políticas, económicas y tecnológicas menores como el nuestro [11, 12, y 13].

Figura 1. Potencia Eólica Instalada a Nivel Mundial

Puntualmente una de las variantes de las energías alternativas, la energía eólica, ha demostrado ser técnicamente viable en muchos escenarios, aparte de esto, cada vez se alcanzan rendimientos operativos superiores en materia de aerogeneradores lo que aporta hacia la consolidación de una cierta madurez tecnológica y ubican la tecnología asociada a este tipo de generación alternativa en el camino de la competitividad y de la

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comercialización efectiva, no solo de generadores, sino también de medidores y suministros de instalación hacia públicos estatales, industriales, rurales, comerciales y residenciales [1,2,6]. El crecimiento en este campo sigue una tendencia cuasi-exponencial y el futuro es prometedor para nuestra región, México, centro América y sur América especialmente. Por otra parte es preocupante la poca actividad que muestra al respecto Colombia mostrando un rezago importante frente a sus vecinos y solo con un proyecto importante como Jepirachi.

A nivel de aplicaciones de pequeña escala, según los antecedentes históricos, en Colombia se ha aprovechado el potencial eólico principalmente en aplicaciones de bombeo de agua [3]. Es importante recordar que aparte de los proyectos tradicionales de generación a macro escala, para niveles de aerogeneración menores, la energía del viento puede servir como apoyo de sistemas residenciales urbanos y rurales, sistemas comunitarios como escuelas, centros comunales y centros de salud, botes, casas de campo, plataformas petroleras, pueden servir como apoyo en zonas de desastre y emergencias, prospección minera, campamentos mineros, casas rodantes, entre otros etc. Los sistemas eólicos pueden ser complemento para sistemas fotovoltaicos y sistemas de generación diesel e integrarse a sistemas de iluminación y aplicaciones industriales, también puede utilizarse en telecomunicaciones, en radares, en control de oleoductos y gasoductos, en ayudas de navegación, en sistemas de protección catódica, en estaciones de monitoreo ambiental y sísmico, entre otras [1, 2, 3,4, 5, 12 y 14].

Figura 2. Esquema general de instalación de aerogenerador de pequeña potencia y Vista frontal de Aerogenerador de eje horizontal

Metodología

Las estimaciones sobre potencial de generación de energía eólica con aerogeneradores requieren datos principalmente de velocidad del viento, temperatura, altura sobre el nivel del mar, densidad del aire, rugosidad del terreno, fecha y hora, coordenadas del sitio y área barrida por los aerogeneradores [15]. Se trabaja sobre

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promedios de velocidad del viento en [m/s] para periodos horarios, diarios, mensuales y anuales. Dado que serequiereungranvolumendedatosestetipodeestudiosdifieredeotrosquenorequierendeobservaciones

sobre periodos continuos y tan largos de tiempo [2, 3, 7 y 19].En Colombia uno de los ítems más determinantes para cualquier estudio a realizarse en el campo de las energías alternativas es la escasez generalizada de información completa. En lo referente al recurso eólico debe reconocerse que en las dos últimas décadas ha mejorado esta situación principalmente debido a la realización del Atlas de Viento y Energía Eólica de Colombia y a los aportes de académicos como, por ejemplo, el Doctor Alvaro Pinilla [3, 7 y 10]. También un punto favorable es la sistematización de la Información a través de los sitios web de instituciones como el IDEAM a nivel local y a nivel internacional, de otros entes gubernamentales y privados como AWEA, LAWEA, la NASA, 3tier, etcétera [18,19,20, 21, 22 y 23]. El Manual de Aplicación de Energía Eólica, además de libros y artículos de orden nacional e internacional, normalmente sirven como apoyo teórico para el tratamiento matemático de los datos y la estimación de las diversas magnitudes de interés para los diferentes periodos estudiados [3].

La velocidad del viento es el parámetro más crítico por lo que debe enfatizarse sobre la exactitud y precisión desumedición.SegúnlarecomendaciónIEAelanemómetrodebetenerunaexactitudde+/-0.1m/somenospara mediciones entre 4 y 25 m/s [2, página 193]. Para nuestro caso puntual, las mediciones se realizaron con un anemómetro T10A en una ubicación urbana situada a 10m del piso con datos recolectados sobre una base diaria a diferentes horas del día y con diferentes frecuencias.

Figura 3. Medidor y sitio de toma de datos

Elsoftwarederegistrodedatosofrecelaopcióndetenergráficaspuntoapunto,gráficasestadísticasytambiénde visualizar los datos en forma de tabla.El análisis de los datos utiliza herramientas estadísticas básicas y presenta registros de datos punto a punto, promedios, valores máximos y mínimos de velocidad del viento en [m/s] y Temperatura [C]. De manera complementaria se determinó la direcciones predominante en que sopla el viento en el sitio y en el anemómetro se orientó en esta dirección. El volumen de datos analizado corresponde a observaciones realizadas a lo largo de los meses de junio, julio, agosto, septiembre, octubre y noviembre de 2009.

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Figura 4. Información sobre registros de periodicidad 10-minutos que entrega el software del medidor.

Los datos obtenidos se confrontaron con la información relacionada que se encuentra a través de los medios de información meteorológica y climática de orden estatal y con otros datos obtenidos a través de otros medios internacionalescomosimuladoresySistemasdeInformaciónClimáticayGeográficaenlínea[18,19,20,21,22 y 23]. Para establecer las coordenadas del sitio de medición y su altura sobre el nivel del mar se utilizó un módulo GPS.

Figura 5. Datos estimados de velocidad del viento entregados por el aplicativo en línea de la empresa 3Tier para las coordenadas del sitio de medición

Como hemos mencionado antes, existen recursos on-line que permiten hacer una observación simultánea de los recursos eólicos estimados a nivel mundial, regional y local. El recurso llamado SWERA: Solar and Wind

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Energy Resource Assessment (Evaluación del Recurso de Energía Solar y Eólica por sus siglas en inglés) arroja lossiguientesdatosparaColombia,Antioquiay,específicamente,nuestrositiodemedición[18].

Cabe anotar que para el sitio de nuestra medición solo estaba disponible el modelo de baja resolución de la NASA.ParaelcasodeAntioquia,específicamentedeMedellínyobviamentedelsitiodenuestrasobservaciones,lainformación no puede confrontarse con muchos datos que sean al menos parecidos a los nuestros porque las estaciones de registro meteorológico de orden estatal se encuentran en sitios muy diferentes y además muy remotos del sitio estudiado. Los datos se confrontarán en lo posible, desde la coherencia metodológica, con la información contenida en las bases de datos estatales y el atlas eólico de Colombia [7].

Tabla 1. Estaciones de referencia para el Atlas de Viento y de Energía Eólica en el departamento de Antioquia.

En cuanto a la estimación de la potencia que podría generarse a partir del recurso eólico registrado tenemos expresiones ampliamente conocidas que normalmente se utilizan para este efecto [20].

Laprimera expresiónmatemática cuantifica la potenciapara unflujode aire circulando libremente, sin elobstáculo que representa, por ejemplo, las aspas del rotor de un aerogenerador.

Elcoeficientedepotenciadescribelafraccióndepotenciadelvientoquepuedeserconvertidaentrabajo

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mecánico por el aero-generador. Cp tiene un límite teórico máximo de 0.593, este valor es conocido como el límite de Betz en honor al aero-dinamicista alemán Albert Betz. La demostración de este límite parte de consideraciones de conservación de la energía, de la ecuación de Bernoulli y también de la suposición de tener unfluidoincompresible,comoelaire[2y6].

Tabla 2. Variación de la densidad del aire con la altura y con la temperatura

La densidad presenta dependencia de varios factores, entre ellos la altura sobre el nivel del mar, la presión barométrica y también de la temperatura. Existen expresiones especiales para aplicar correcciones dependiendo del tipo de turbina [2, página 195]

En las proyecciones de potencia generada se aceptó una temperatura promedio de 20°C, no obstante los datos pueden ser ajustados con los datos de temperatura registrados conjuntamente con los valores de velocidad del viento para hacer una estimación más precisa.

La velocidad media del viento también es función de la altura. El terreno, incluso libre de obstáculos, produce fuerzas de fricción que retardan la velocidad del viento en las capas más bajas. Este fenómeno conocido como cizalladura del viento, es más apreciable a medida que disminuye la altura y tiene mayores efectos sobre la operación del aerogenerador. Diferentes modelos matemáticos han sido propuestos para describir la cizalladura del viento. Uno de ellos es la ley logarítmica de Prandtl [6, página 10].

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A partir de experimentos de medición se desarrolló una expresión empírica parecida llamada la ecuación de Hellman (1935) que resulta muy útil si se desea hacer el ejercicio de estimar la velocidad del viento y por ende la capacidad de aerogeneración de energía para una altura mayor a la de la medición realizada [23]. En la actualidad para cálculos con viento es entonces más común utilizar esta expresión [8]:

Tabla 3. Valores del exponente de Hellmann en función de la rugosidad del terreno.

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Lasgráficascomparativasparaperiodossimilaresdetiempopermitenobservarlaevolucióndelosdatosy

de las variables y permiten observar los datos correspondientes de energía proyectada para alturas a 10 m (para el caso de pequeños aerogeneradores) y de alturas a 50m para el caso de hipotéticos aerogeneradores de tipo industrial. Los datos para 50 m son proyectados a partir de modelos teóricos y aproximaciones hechas según procedimientos matemáticos. Para este experimento las observaciones se iniciaron en un periodo que permitiera incluir los datos del mes de Agosto que históricamente ha sido un mes de vientos elevados y que en cierta forma permitiría establecer el tope máximo de la estimación.Resultados

En correspondencia con lo esperado, los datos más altos tanto para promedios como para máximos y mínimos sobre los periodos observados correspondieron al mes de agosto, pero también debe resaltarse que se han obtenido valores muy interesantes para los meses de septiembre, octubre y noviembre. A nivel de tendencia generalsehaobservadounaumentoenlasintensidadesdelavelocidaddelvientodesdefinalesdelmesdejulio.Esimportanteanotarquelosperiodosdelluviay,elfenómenodelniñohainfluidobastantesobrelosvientos ya que, según lo observado, los periodos de lluvia usualmente afectan los periodos de viento en la mayoríadeloscasosanulándolosointensificándolosduranteelantesypocasvecesduranteeltranscursodeeste fenómeno natural. Cabe anotar que el fenómeno del niño en esta región del país a diferencia de lo esperado se ha manifestado la mayor parte del tiempo mediante lluvias más que con periodos secos como se habría pensado e incluso indicado por el IDEAM en un principio.

Las variaciones de temperatura y de velocidad del viento son muy importantes debido a su interrelación con la densidad del aire y con la velocidad del rotor del aerogenerador, ambos son factores determinantes para los efectos de la producción de energía. Se ilustra a continuación el comportamiento de estas variables y algunos comportamientos proyectados tanto para velocidad del viento como para la potencia virtualmente aportada porelflujodevientoquecirculóporelsitioparaunodelosmejoresdíasencuantoaintensidadmediadelosregistros de velocidad del viento del mes de agosto.

Figura 6: Registros de temperatura y viento y estimaciones de potencia a 10 y 50m

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Lasestimacionesde losvaloresdepotenciaqueaparecenen lagráficaseapoyanen la leyexponencialdeHellmann cuyos exponentes aparecen indicados para las proyecciones a 50m considerando las condiciones observadas sobre el terreno de las medidas y los terrenos circundantes. También se utilizo el método de interpolación de Lagrange para ajustar los datos de densidad para la altura del sitio de medición (1694 m s.n.m) y la altura proyectada de 1734 m s.n.m)

Figura 7. Estimaciones de potencia para 10 y 50 metros para un aerogenerador.

Una estimación preliminar de la energía eólica que podría generarse en el sitio de medición, aportará algunas lucessobrelosposiblesaprovechamientosquepodríandarseapartirdelflujodevientodelsitio,sisedecidieraemplazar un arreglo de torre y de aerogenerador allí.Según consideraciones teóricas [8, página 16], la energía N que portaría el viento si se desplazase con una velocidad igual a la media durante las 8760 horas del año, sería:

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Para un aerogenerador de eje horizontal y diámetro de hélice D, la sección A es:

Al contrario de la tecnología de aerogeneradores de eje vertical, en los que eje y soporte son paralelos, los aerogeneradores de eje horizontal tienen su eje perpendicular al mástil de soporte. Los aerogeneradores de eje vertical se han ido incorporando a algunas aplicaciones de apoyo a sistemas de telefonía celular que aprovechan las torres de cobertura a las células de este sistema móvil.

Según lo observado sobre el volumen de las mediciones realizadas sobre este periodo de 6 meses, la velocidad promedio del viento para el sitio del experimento está entre los 2 y los 3 m/s.Haciendo uso de las expresiones matemáticas citadas anteriormente se hizo una estimación de algunas cifras de energía para algunos aerogeneradores pequeños para la altura del sitio de medición y medianos para una posible altura proyectada de 50m.

Tabla4.Estimacióndelaenergíaanualaceptandounpromedioanualdev=2m/s

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El cuadro de cargas que se presenta a continuación ofrece una referencia general acerca de algunas cargas que podrían ser alimentadas con la energía eólica producida utilizando un convertidor de corriente alterna a corriente continua o directamente los 12 Voltios entregados por el banco de baterías que almacene la energía eólica producida [3].

Tabla 6. Potencia Electrodomésticos

El mercado de las energías limpias ha desarrollado en las últimas décadas también su propia variedad de cargas especialmente adaptadas para integrarse directamente a los suministros de 12 voltios de corriente continua que tambiénsecaracterizanporsuconsumoreducidodeenergíayporsueficienciadefuncionamiento.Uno de los puntos débiles del recurso eólico es su variabilidad durante el año. Si bien en el sitio estudiado estefenómenoesevidentedeunmesaotro,paraelperiodoobservadosepuedeafirmarqueesposiblecontarcon una velocidad media mínima que aportaría energía eólica la mayor parte del tiempo [16]. Si se piensa en laimplementacióndesistemasmixtoseólicos-fotovoltaicos,estadeficienciapuedecubrirseengranmedida.Es importante tener en cuenta que si bien, la variabilidad no se da en la misma proporción, esta también está presente en sistemas maduros y tradicionales como el de generación de energía eléctrica a partir del recurso hídrico, bien sea por periodos de sequía o de lluvias, por aspectos de orden técnico, en nuestro país también por aspectos de orden público, etc. El sistema interconectado nacional también cuenta con generación termoeléctricacomounagentequepuedeinfluirenprooencontradelavariabilidadmencionada.

Figura 8. Variación de la temperatura y la velocidad del viento de un mes a otro en el mismo periodo de tiempo y Evolución de la velocidad y de la temperatura a lo largo de un día

Aunquenosepuedesercategóricoenafirmarquesiempreesasíparael sitiodelexperimento,duranteel

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tiempo de las mediciones, se observó que muchas veces los descensos en la temperatura coincidieron con el ascenso de los valores de velocidad del viento y viceversa, ya fuera porque se aproximaban eventos de lluvia o por otras interacciones micro-climáticas que pueden estar relacionadas con las reacciones derivadas de los desplazamientos de frentes de aire de diferentes temperaturas en la baja atmosfera, a la variación de la radiación solar incidente, a la misma rotación terrestre, etcétera [3].El volumen de datos obtenido es grande. Para ilustrar la cantidad de datos que puede llegar a tenerse en un momento dado debe considerarse que el medidor puede arrojar un promedio de 500 datos para un periodo de 10minutossegúnelmododeregistroenqueestéconfigurado.ConclusionesLosdatosdevelocidadpromediodelvientoobtenidosdifierenenmuchoscasossignificativamentedelosdatosexistentes tanto en el Atlas de vientos de Colombia como de algunos recursos on-line que realizan estimaciones aniveldemodelosyobservaciónsatelitalomediantesistemasdeinformacióngeográficos.Lasproyeccionesycálculos de potencia indican una subestimación inicial del recurso eólico para ubicaciones urbanas en algunos sitios de Medellín e indican que en otros sitios en las afueras de Medellín o del sector rural de Antioquia, si bien no se alcanzará el potencial eólico de la Guajira, es posible impulsar soluciones, diseños y estudios interesantes. Las observaciones preliminares indican poca variabilidad en la dirección de los vientos y una turbulencia aceptable, sin embargo es necesario complementar los datos con estudios metódicos sobre turbulencia y dirección de los vientos para proyectar adecuadamente la instalación eólica y tomar previsiones al respecto. Una posible desventaja es la variabilidad de la velocidad del viento observada para algunos periodos del día. El potencial eólico estimado preliminarmente indica que el recurso es viable para implementar una instalación de pequeña potencia para cubrir requerimientos de iluminación, carga de baterías de dispositivos móviles, riego automático, apoyo a antenas de telecomunicaciones, implementaciones complementarias a paneles fotovoltaicos o soluciones de una escala similar y que es posible que en áreas cercanas el potencial sea mayor. El gobierno colombiano debe decidirse a tomar acciones y a promover políticas que favorezcan el estudio y la realización de proyectos que impulsen las energías limpias en Colombia como una estrategia decidida y de cara a los proyectos regionales y las tendencias mundiales en este campo. La globalización y el acercamiento que permiten los medios tecnológicos actuales pueden favorecer el acortamiento de los tiempos de adopción e implementación de este tipo de tecnologías.Campos como la domótica y la inmótica pueden impulsar desde otro escenario la implantación de soluciones de generación limpia armónicas desde el punto de vista arquitectónico, tecnológico y funcional con otros conceptos de adopción reciente. Desde la administración pública debería considerarse al menos la posibilidad de ir adoptando soluciones para el alumbrado público, la señalización y las comunicaciones.

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