Energía Eólica
Ton van der Wekken
y
Fred Wien
Con la colaboración de Víctor Criado – UPM - Madrid
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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) o
Potencia (rotación) = par x velocidad angular (P=T x )
Pviento = [Cp 1/2 V2 A] V
Cp
1/2 V2
V
A
eficiencia (“Betz” max. = 16/27)
presión dinámica para 1 m2
densidad del aire (~1.22 kg/m3)
velocidad del viento
área total del rotor
El viento a través del área del rotor
Fuerzas en las
palas del rotor
Flujo y Fuerzas con más detalle
Sustentación
velocidad
del viento
dirección
rotacional del
rotor
velocidad del viento
resultante
velocidad angular
Resistencia
dirección del
viento
Principios de Conversión
de Viento a Electricidad
De Resistencia (Savonius): Eficiencia
baja: 10% a 15%
De Sustentación con rotor vertical
(Darrieus): Eficiencia moderada: ~30%
De Sustentación con rotor horizontal de
2 o 3 palas: Eficiencia alta: 45 a 50%
Curva de Potencia – Velocidad (P-V)
potencia en el
viento
3
(ρ/2).A.V
potencia
específica
potencia maxima teórica utilizable
3
(ρ/2).A.V .(16/27)
100%
curvas de potencia
reales
3
(ρ/2).V .A.Ce
75%
50%
controlado por Pérdida
controlado por Inclinación
25%
0
0
5
10
15
20
Velocidad del viento no perturbada
(m/s)
25
30
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-tipo
Antes de que comience la construcción es obligatorio disponer
de un certificado vigente. El certificado declara que se
cumplen las normas básicas de seguridad
Standards
IEC 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
2000 horas a
plena carga
[EUR/MWh]
2500 horas a
plena carga
[EUR/MWh]
40 a 50
30 a 40
Operación y mantenimiento
incluyendo las revisiones generales
12
12
Otros gastos de funcionamiento
8
8
60 a 70
50 a 60
Desglose de costes de la Energía
Eólica
Inversión
(12 años, tipo de interés 4%)
Total
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:
Tiempo de construcción:
Vida util:
De ½ a más de 5 años
De 1 a 2 años
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
Velocidad media del viento
7.0 m/s
Potencia del parque eólico (MW)
Factor de forma de la distribución de Weibull, k=2
10
10
10
10
7.5 m/s
8.0 m/s
8.5 m/s
27,000
31,000
34,000
37,000
Horas equivalentes a plena carga
2,700
3,100
3,400
3,700
Hours per year
Producción total anual de Energía
(MWh)
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12131415 16 17 18 1920 21 222324
m/s
Costes de inversión de un parque
eólico de 10 MW: ~1,25 M€/MW
Costes por
aerogenerador
[K€]
Costes del parque
eólico
[K€]
100
500
2,000
10,000
200
1,000
200
1.000
INVERSIÓN TOTAL (año 1)
2,500
12,500
Renovación (al año 10)
- nivel de precios de 2006 -
250
1,250
2,750
13,750
Costes de inversión
- nivel de precios de 2006 Costes de preparación
5 aerogeneradores de 2 MW
cada uno
Obra civil e infraestructura
eléctrica
Conexión a la red
TOTAL
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
Ingresos totales
Periodo de amortización
Valor actual neto (NPV)
Rentabilidad (IRR)
60 €/MWh
1.47 M€/año
> 15 años
6.1 M€
4%
85 €/MWh
2.08M€/año
> 9 años
17.7 M€
11%
¡Gracias por su atención!
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