Jesús David Quintero Polanco1, Johan Julián Molina Mosquera2 y John Serrato3
La humanidad se ve avocada actualmente en una crisis energética y ambiental, debido al sobrecalentamiento global generados por la producción de energías convencionales, por lo que se presenta una solución a mediano plazo a este problema, que en este caso será la creación de un parque eólico que ofrece un cambio en la energía racional, accesible y limpia; debido a que es una de las grandes preocupaciones de los países que firmaron el tratado de Kioto. Es por esto que Colombia tiene un alto potencial en recursos renovables, en la que se debe tomar conciencia del aprovechamiento adecuado y eficiente de todos estos recursos. El potencial energético de Colombia, es debido a la diversidad geográfica, la cual posee una variedad en sus recursos energéticos, si se logra aprovechar de manera eficiente todos los recursos, disminuiría en un porcentaje el sobrecalentamiento de la tierra.
La metodología empleada se ha basado en encontrar la mayor intensidad de viento que se presenta en la región del departamento del Huila basado en la investigación de datos que ha recopilado en registro el IDEAM por más de diez años.
Palabras clave. Meteorología; distribución; histograma; parámetros; rosa del viento; impacto ambiental
Humanity is now doomed in an energy and enviromnental crisis, due to global overheating generated by the production of conventional energy, so a medium-term solution to tins problem, winch in tins case will be the creation of a wind farm presents It is offering a change in the rational, accessible and clean energy; because it is one of the major concerns of the countries that signed the Kyoto treaty. That is why Colombia has a high potential in renewable resources, winch should be aware of the proper and efficient use of these resources. The methodology is based on finding the most intense wind that occurs in the region of Huila department based on the research data it has collected on registration IDEAM for over 10 years.
Keywords: Meteorology; distribution; histogram; settings; wind rose; enviromnental impact
La energía Eólica, es un recurso natural renovable poco explotado en nuestro país, pero ¿qué es la energía eólica?, como su nombre lo indica (El término eólico viene del latín Aeolicus, perteneciente o relativo aEolo, dios de los vientos en la mitología griega) es la energía generada por efecto del viento a través de elementos conocidos como turbinas o aerogeneradores los cuales transforman la energía cinética del viento en energía eléctrica, este proceso se suele llevar a cabo en los parques eólicos (Molina & Villarrubia, 2012).
Cuando se habla de parques eólicos, se hace mención a lugares donde se transforma y recolecta la energía generada por medio de las turbinas o aerogeneradores (EPM, 2010); estos elementos van montados en torres que miden entre 40 o 60 metros de altura y están en grupos que pueden variar desde 3 y hasta una decena de ellos. Pero para lograr crear un parque eólico en un sitio determinado se debe cumplir con unos requerimientos ambientales especiales para que su funcionamiento sea viable y la inversión aplicada sea recuperada de forma segura (Parra, 2012); (Gipe, 2012).
Según estudios que ha hecho el estado (Unidad de planeación Minero Energética, 2015), dentro del país hay diferentes lugares que cumplen con las características mínimas para la creación de uno de estos parques, en este caso se toma el punto de la estación “la Legiosa” ubicado en el departamento del Huila, municipio de Colombia, donde se hará el estudio de viabilidad técnicay económica para la creación de un parque eólico (Guzmán, 2013). El cual es importante destacar que la estación de la Legiosa es completamente diferente a las otras estaciones del departamento del Huila, ya que dentro de su territorio posee una velocidad promedio superior; este potencial eólico de la zona da cabida para presentar el estudio de viabilidad justificados en el proyecto, siendo así una buena oportunidad para el avance energético del departamento y un buen negocio para los inversores ya que gracias a la venta de esta energía como los incentivos que se recibirán del estado, se consigue recuperar la inversión en pocos años.
En el desarrollo del estudio de viabilidad técnica se tomaron en cuenta los factores que influyen para la generación de energía eólica, siendo los más determinantes los datos estadísticos entregados por el IDEAM para el sitio conocido como la Legiosa en el departamento del Huila (municipio de Colombia). Se decidió el lugar de la Legiosa porque es el único punto en el interior de Colombia que brinda un potencial eólico relativamente elevado.
Para la recolección de los datos necesarios se hicieron los correspondientes trámites frente al Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia “IDEAM” los cuales tardaron alrededor de mes y medio para lograr obtener la información que fuera a utilizar este estudio (Atlas de los vientos, 2016); (Ingeominas, 2015).
La localización geográfica exacta la proporciono el instituto geográfico Agustín Codazzi “IGAC” por medio de la carta topográfica correspondiente a la región de Colombia Huila con la nomenclatura 3 03 -IV-B por medio de la cual se descubre el relieve topográfico que presenta la región, en él se puede ver que la región que envía los vientos hacia este lugar son los llanos orientales y estos se concentran en el paso de la Legiosa hacia el interior de Colombia.
Según los datos entregados por el IDEAM los vientos en el puno de la Legiosa se presentan de ESTE a OESTE con pequeñas variaciones hacia el NOR-ESTE en los meses de febrero y marzo y hacia SUR-ESTE en septiembre y octubre (Atlas de los vientos, 2016).
En este apartado se hará una descripción de los conceptos atener en cuenta para los cálculos de la velocidad y potencia que son de relevancia para el diseño del parque eólico.
Perfil de viento: velocidad de viento como una función de la altura sobre el terreno. La forma de este perfil depende principalmente de la rugosidad del terreno.
Velocidad de viento potencial : se define como la velocidad del viento que se observaría en un terreno completamente plano y abierto (Busby, 2013); (Spilsbury, 2008), típicamente especificado para 10 m, para este caso los datos que nos suministró el IDEAM, la altura es de 0 m.
Para hallar la velocidad de viento actual (no potencial), se deben aplicar correlaciones a la velocidad de viento potencial, como la rugosidad del terreno (Pasqualetti, et al., 2009). Para hallar le referencia existente entre el incremento de velocidad y altura se utilízala siguiente expresión (Moraleda, 2013).
Dado que la potencia eólica cambia con el cubo de la velocidad del viento, es posible estimar la potencia eólica aplicando la siguiente expresión: (Ecuación 2).
Posteriormente se analizó la turbulencia del viento y obstáculos. El viento al incidir alrededor de superficies muy rugosas presenta grandes cambios en velocidad y dirección. Esta turbulencia disminuye la entrega de potencia a un equipo eólico y puede conducir vibración indeseable.
La evaluación del recurso eólico se hace a partir de la recolección de fichas en una base de datos diurna, mensual y anual, de la estación La Legiosa para así realizar su respectiva evaluación y análisis.
Se inició con los datos suministrados por el IDEAM sobre las variaciones diurna - mensual (meses de junio y julio de 2014) y el informe de la variación del viento anual (base de datos de 10 años). Con la información de la variación diurna -mensual se realizó la construcción del histograma de velocidades (también llamado distribución de frecuencias de velocidad), el cual permite observar el número de horas que la velocidad del viento varia dentro de un intervalo. Luego se puede estimar la velocidad promedio mediante la siguiente formula:
El número total de horas del periodo de estimación.
Con la información promedio horaria se realiza una estimación de la potencia eólica específica (W/m2) en el lugar a través de la siguiente expresión:
Luego se obtiene la constante Ke que es la relación entre la potencia eólica total promedio durante un periodo estimado y la potencia eólica instantánea calculada con la velocidad promedio aplicando la siguiente expresión.
Esta ecuación 5 es adicional a la distribución de frecuencia de velocidad del viento, también se suele representar en la distribución de duración de velocidad de viento (curva de frecuencia acumulada de viento). Estaños permite determinar el número de horas que un valor de velocidad es excedido en la escala de tiempo de estimación. Con las distribuciones de frecuencias del viento y su correspondiente frecuencia acumulada, se hace una aproximación por una función de densidad de probabilidad para el histograma de velocidades. La función de densidad de probabilidad (fdp) que se utiliza es la distribución de Weibull cuya ecuación 6 está dada por la siguiente expresión.
Esta distribución es de dos parámetros «a» que es el parámetro de forma de la distribución y «ß» que es el parámetro de escala de la distribución de Weibull.
Para lograr modelar el comportamiento del viento con la distribución de Weibull se debe determinar sus parámetros con base en la información de vientos dada por el IDEAM, de esta última se busca encontrar la velocidad promedio y la desviación estándar. Conocidos estos valores se ajustan con las ecuación anteriormente planteada y se logra conocer los parámetros ay ß de la distribución que mejor se ajustan la información de viento.
Otro parámetro a determinar con la distribución de Weibull es la distribución de frecuencia acumulada (Ecuación 7).
Su uso permite realizar de una manera más sencilla la conversión de energía eólica efectiva del sistema de aerogeneradores.
El principal objetivo del proyecto es evaluar la viabilidad técnica para la generación de potencial eólico en el departamento del Huila Municipio Colombia, la estimación de la potencia instalable y la producción energética del emplazamiento, suponiendo la instalación de aerogeneradores que se indica en el documento, la zona se encuentra a 1476 m.s.n.m. Las coordenadas UTM donde se encuentra el parque eólico son los que se muestran en la tabla 1.
Estación meteorológica: los datos fueron suministrados por el IDEAM, de la estación La Legiosa, ubicada en el Municipio Colombia, en las siguientes coordenadas UTM (Tabla 2).
Análisis del Periodo de Referencia: Se tomaron los datos entregados por el IDE AM y se extrajeron las gráficas siguientes para el análisis pertinente del potencial eólico, la figura 1 muestra los patrones de variación diurna (mes de junio) en la estación La Legiosa. En esta se ilustra los días cuya velocidad pro-
medio del viento diana es máxima y mínima y el patrón de la hora-mes promedio (Buey, 2014).
En la figura 2 se presenta el patron de variación promedio-dia a lo largo del mes de junio para la estación La Legiosa.
En la figura 3 se muestra la variación de los vientos de 10 años entre los años 1985 y 1995.
En la figura 4 se muestra el histograma de velocidades para la estación La Legiosa en el mes de junio (o también llamado distribución de frecuencias de velocidad).
En la figura 5 se representa la frecuencia acumulada de velocidad de viento, con la cual se logra determinar el numero de horas que un valor de velocidad es excedida en la escala de tiempo estimado.
En figura 6 esta rosa de magnitudes se puede observar la cantidad de veces que una velocidad se repite durante un mes, la velocidad media es 5.1 m/s.
La figura 7 muestra la rosa de direcciones medias entrega la dirección predominante del viento durante un periodo de un mes o mas el viento predominante del este.
La figura 8 muestra la rosa de velocidades y direcciones media entrega durante un periodo de un mes, el viento predominante del este y la velocidad se ve representada por los colores.
La figura 9 muestra la aplicación de la función de Densidad de probabilidad de la distribución de Weibull con los parámetros a=2.4yb=6.
En la figura 10 se aprecia la comparación entre el histograma de velocidades y el modelo matemático aproximado de la distribución de weibull.
A partir de las gráficas que nos proporcionan la velocidad media del viento durante el periodo de referencia
podemos deducir de la figura 11 que los aeroge-neradores funcionan para una velocidad del viento su-penor a 3 m/s e inferior a 21 m/s, de la figura antenor se deduce que los aerogeneradores estarán funcionando un 85.66% de las veces y una velocidad promedio de 5.1 para una altura de 10 metros; para un análisis de 80 metros la velocidad promedio es de 6.95 m/s (Parra, 2012); (Saunder, 2008).
Para la selección del aerogenerador se tienen en cuenta las condiciones climáticas de la región (Villarrubia, 2012); en donde se emplazará el parque eólico, la cual cuenta con una velocidad promedio de 6.95 m/s y una temperatura ambiente que se encuentra en el rango de 5 °C a 30 °C y una densidad de aire de 1.12 kg/m3
Con los datos anteriores podemos decir que los aerogeneradores que mej or se aj ustan a la zona de trabajo son los aerogeneradores Gamesa g97 de 2 MW. Según datos del fabncante, en la siguiente figura 12 se ve la curva de potencia del aerogenerador G-97, lo se puede
deducir que para una velocidad promedio de 6.95 m/s, se obtendrá una potencia de 900 KW/h (Gipe, 2012).
Con los resultados obtenidos, ya se puede calcular la producción neta del parque y las horas equivalentes de funcionamiento. Si un año hay 365 días, en un día 24 horas y los aerogeneradores estarán funcionando el 85.66% de las veces, un aerogenerador estará trabajando 7495,25 h/año. Para una velocidad media 6.95 m/s la producción bruta será de: 6745,725 MWh/año. Teniendo en cuenta el rendimiento de 99% de los aerogeneradores y pérdidas del 6% la producción neta de cada aerogenerador será de 6277,571685 MWh/año. Por tanto, la producción neta del parque será de 25110,28674 MWh/ año que equivale a 313 8,78 horas equivalentes como se observa en la tabla 3.
La iniciativa de realizar un estudio de viabilidad que demuestre la capacidad eólica que se encuentra sin explotar en este país, ayuda a abrir los caminos hacia la utilización de recursos renovables y fuentes de energía limpias, ya es interés del estado y las empresas privadas la explotación de este.
Las estadísticas elaboradas por el IDEAM deben de servir de punto de partida para la masiftcación de proyectos eólicos en Colombiay con ello disipar el impacto generado por la construcción de hidroeléctricas en caso más relevante la del Quimbo en Garzón ocasionando una considerable disminución en el trabajador del sector agrícola y masivas manifestaciones de las comunidades aledañas por los daños ocasionados.
La viabilidad técnica para la construcción de un generador eólico puede calcular la producción neta del parque y las horas equivalentes de funcionamiento a un año con los aerogeneradores trabaj ando 7495,25 h/año a una velocidad media 6.95 m/s la producción bruta será de: 6745,725 MWh/año.
Teniendo en cuenta el rendimiento de 99% de los aerogeneradores y pérdidas del 6% la producción neta de cada aerogenerador será de 6277,571685 MWh/ año. Por tanto, la producción neta del parque será de 25110,28674 MWh/año.
De los factores elegidos en el análisis de sensibilidad, se tiene que la velocidad del viento tiene una influencia muy grande en la rentabilidad del proyecto. Una variación del 5% en este valor, hace que la rentabilidad varíe en un ±1,5%.
Por todo lo expuesto, se entiende que el proyecto es viable y sostenible ambientalmente.
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