Dr. Ing. di Prátula, H.R.
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El medio ambiente es un compromiso de todos,
pero sin racionalizar ni considerar los aspectos
relacionados al agotamiento de los recursos no
hemos comprendido el problema.
Si analizamos las diferentes fuentes de energía a la
luz del TRE ó EROI (en inglés):
 í 
 =
 í     í
La definición no nos debe confundir. No
representa la eficiencia de conversión, EROI y sus
variantes son a veces llamados la evaluación del
excedente de energía, el equilibrio energético, o
análisis de la energía neta .
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Con el auxilio teórico de la EROI es posible
comparar eficazmente fuentes energéticas diversas
entre sí, desde la simple leña (biomasa) hasta la
energía solar fotovoltaica, que requiere una
considerable inversión energética en la fabricación
de los paneles solares.
Los detractores
minimizan sus
resultados pero eso
también ocurrió con la
curva de Hubbert.
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No se puede ir a contramano de los indicadores. «El
petróleo estará agotado antes de estar agotado»
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El cálculo del TRE (EROI) para nuestro País se
agrega en la siguiente tabla:
Estimación de la Tasa de Retorno Energética de la
Energía Eólica en Nuestro País (E. Martınez et.al
Life cycle assessment of a multi-megawatt wind
turbine)
Consumo de energía para construir el WT
Componentes
Sub-compon
Energia (Mwh)
tres palas
20,15
Rotor
12
0,95
0,4
Fundación
Torre
4,25
tres secciones
42,5
9
Góndola
5,3
50
Elementos internos
Generador
66,25
Cja de engranajes
123,75
Cobertor de góndola
6,2
Transporte
3,46E+03
Energía consumida durante la construcción
3804,67655
Energía entregada durante 20 años
140160
TRE
36,84 Dr. Ing. di Prátula, H.R.
Este valor coincide con las apreciaciones de las
referencias (Ida Kubiszewski et.al Meta-analysis
of net energy return for wind power systems) y
(Manfred Lenzena et al Wind turbines in Brazil
and Germany: an example of geographical
variability in life-cycle assessment) que dan un
valor del EROI para turbinas eólicas de 500 kW
(año 2004) en Brasil entre 14.8 y 40 siendo el
menor valor citado para una potencia de 5 Mw
(repower).
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Fortalezas y Debilidades de las diferentes fuentes
de energía no renovables.
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Los datos anteriores muestran claramente que el camino es
diversificar la matriz energética de producción de energía.
Una de las energías que mayor avance y potencia puede
alcanzar potencialmente rentable es la energía eólica.
Sin embargo es conveniente para alcanzar la plenitud de
generación y también de satisfacción en el comportamiento
del parque eólico a largo tiempo analizar el tipo de
aerogenerador conveniente y el mantenimiento futuro.
Nuestro País no posee las condiciones Europeas de asistir
rápidamente ante fallas al parque eólico tanto
económicamente como en el aspecto logístico.
Es importante considerar todos los aspectos relacionados a
la elección del aerogenerador para lograr un mejor
aprovechamiento y además un aerogenerador propio
adecuado a las condiciones que rigen en nuestro País.
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Los recursos eólicos
en el País muestran
diferentes
intensidades
y
turbulencia.
En la figura adjunta
se exhibe un mapa
eólicos del País.
Se destacan zonas
de
diferente
intensidad.
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Las normas aplicadas a la construcción de aerogeneradores
permiten determinar la clase de turbina a elegir. La
intensidad de turbulencia se define como la relación del
desvio standard de las fluctuaciones de la velocidad del
viento a la media.
Tabla según normativa IEC 61400-1
Parámetros
Velocidad del vto de
referencia en m/s
velocidad anual del
viento promedio m/s
intensidad turbulencia
Alta: a 15 m/s I15
intensidad turbulencia
Baja: a 15 m/s I15
velocidad de ráfaga de
viento de retorno 50 años:
1,4*Vref
velocidad de ráfaga de
viento de retorno 1 año:
1,05*Vref
clase I
Clase II
Clase III
Clase IV
50,00
42,50
37,50
30,00
10,00
8,50
7,50
6,00
0,18
0,18
0,18
0,18
0,16
0,16
0,16
0,18
70,00
59,50
52,50
42,00
52,50
44,63
39,38
31,50
Clase S
Valores
dados
por el
diseñador
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Uref se define como el viento promedio de 10´ con un periodo de
recurrencia de 50 años a la altura del cubo. Las turbinas se
diseñan para soportar ese climas con vientos iguales o menores
que Uref.
Parámetros básicos para Clases de Turbinas Eólicas
Parámetros
Velocidad del vto de
referencia en m/s
clase I
Clase II
Clase III
50,00
42,50
37,50
A Iref (-)
0,16
0,16
0,16
B Iref (-)
0,14
0,14
0,14
C Iref (-)
0,12
0,12
0,12
Clase S
Valores
dados
por el
diseñador
Desvio estándar de turbulencia para modelo de turbulencia normal (61400-1 © IEC:2005)
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Debemos realizarnos las siguientes preguntas:
1. ¿ Como optimizamos la elección para que
la inversión inicial sea menor con estos
recursos?
2. ¿Cómo optimizamos la operación una vez
instalados considerando la red eléctrica y
los recursos?
3. ¿ Como optimizamos el mantenimiento en
relación al stock y la logistica del mismo
considerando la elección realizada en el
punto 1?
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La respuesta a estas preguntas requieren de
análisis:
1. La menor inversión obliga a analizar
adecuadamente el recurso pero también el
mantenimiento posterior al elegir el equipo.
2. La operación demanda de un análisis de la red
eléctrica y del tipo de aerogenerador adecuado
a los recursos sin olvidar los factores de
calidad de producto.
3. El mantenimiento requiere haber elegido bien
el equipo, haber estudiado bien los recursos y
elegido la logistica de operación ha realizar.
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El primer paso es elegir la clase. Esto requiere un
buen análisis de los recursos y conocimiento de
las turbinas existentes en el mercado.
El segundo paso es determinar aspectos
constructivos porque esto determina el tipo de
aerogenerador.
1. Potencia del equipo.
2. ¿Con caja de engranaje o sin caja de
engranaje?
3. ¿ que tipo de generador?
4. ¿ que tipo de torre? ¿ que altura ?
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Las
turbinas
eólicas
actuales
utilizan
convertidores electrónicos de potencia para
garantizar la regulación de su inter-relación con
la red eléctrica.
Clasificaremos las turbinas eólicas modernas
considerando el tipo de generador elegido por el
fabricante para convertir la energía mecánica en
eléctrica, ya que este aspecto es importante para
interpretar el problema de armónicas en red.
En la tabla siguiente vemos turbinas con
generador de inducción y un generador
sincrónico
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Turbinas Eólicas sin convertidor de potencia conectado a red eléctrica
Arrancador
Transformador
Convertidor
Red Eléctrica
Caja de
Engranajes
Generador de
inducción con
jaula de ardilla
viento
viento
Caja de
Engranajes
Compensación
Filtro EMI
Fig. 2
Convertidor
Caja de
Engranajes
Red Eléctrica
viento
viento
Convertidor
Transformador
Generador de
inducción con
rotor bobinado
Red Eléctrica
Generador de
inducción con
rotor bobinado
Fig. 1
Caja de
Engranajes
Transformador
Transformador
Red Eléctrica
Generador
sincrónico con
rotor bobinado
Fig. 3
Fig. 4
Todos los dispositivos cuentan con caja de engranaje.
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En los considerandos de la elección también debe
incluirse las condiciones de operación con la red
eléctrica existente o que modificaciones se
efectuarán a la misma y los aspectos relacionados
con el mantenimiento futuro.
Por ejemplo:
1. ¿ que potencia de cortocircuito tiene la red
eléctrica en el nodo?
2. ¿Cómo voy a llevar a cabo el mantenimiento
de los aerogeneradores? ¿ que acceso a gruas y
partes del aerogenerador existen? ¿ Que
acceso al terreno y a los equipos?
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La primera pregunta tiene que ver con la integración de la
generación eólica a la red.
La integración de la generación eólica en el sistema
eléctrico provoca un impacto, afectando, entre otros, la
calidad de potencia del mismo.
El impacto se encuentra relacionado con el nivel de
penetración y con la robustez del sistema eléctrico. Es
importante mencionar que algunos de los aspectos de la
calidad se ven mejorados y otros empeorados. Se producen
fenómenos de régimen permanente de calidad de potencia y
fenómenos transitorios.
Los de mayor importancia se describen brevemente a
continuación.
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La tensión de los aerogeneradores es menor de 1000 V –
por seguridad, el uso de cables colgantes y los
generadores son de menor costo. Sin embargo esto
obliga al uso de transformadores que pueden estar en la
misma torre del aerogenerador o cercano. En los
actuales parques se conecta cada generador a un
transformador y no varios a uno solo (sistema Antiguo).
Cuando se trata de un parque eólico de gran porte se
requieren dos niveles de transformación. El primero
eleva la tensión desde BT a MT (13.2 o 33 kV),
agrupando
varios
generadores
para
cada
transformador. El segundo nivel centraliza para una
subestación cercana las líneas de MT y eleva a AT.
Desde ésta SE se llevarán las líneas de AT para ser
distribuidas utilizando una SE de distribución.
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Los fenómenos asociados a la conexión del parque eólica a la
red y que deben analizarse aún desde el mismo instante de la
elección del tipo de aerogenerador son:
1. Armónicas
Límites del contenido armónico en corriente inyectado a la red
según IEC 61800-3
1. Flicker: Variaciones de tensión de frecuencia cercana a 9
Hz. Lo provoca la variación de potencia del parque por
fluctuación del viento.
2. Huecos de tensión y microcortes: variación de tensión
entre 90 y 10% de la tensión. Afecta al aerogenerador y es
un fenómeno asociado al sistema.
3. Factor de potencia
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4. Transitorio de conexión
Las estadísticas de fallas son fundamentales para analizar el
mantenimiento:
Incidencia porcentual de fallas en turbinas eólicas con caja de
engranajes
frenos de aire
3% frenos
Palas
5%
árbol y rodamientos
2%
Mecanismos de control
2%
3%
Acoplamiento, góndola,
fundación, torre
0%
Otros
30%
Red eléctrica
5%
Sistema hidráulico
5%
Generador
5%
Turbina completa
7%
Sistema de control
13%
Virador de góndola
8%
Caja de engranajes
12%
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Comparación fallas con y sin caja de engranajes
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Estadística de comparación entre diferentes experiencias
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Comparación entre velocidad variable y fija de palas
El análisis del costo de compra de los aerogeneradores,
montaje y mantenimiento son importantes en el momento de
la elección. Es costumbre minimizar el costo de operación y
mantenimiento de acuerdo a los estudios de costos de Países
Europeos, pero nosotros debemos valorarlos y analizar su
incidencia futura en la producción de energía.
Pérdidas de producción
días para reemplazo de material
Tiempo de grua para reemplazo material
número de días para reparación incluyendo viajes
horas por día
Potencia de la turbina en kW
Factor de capacidad
Costo de la energía por MWh
Materiales
costo de item
costo de transporte 4%
costo de carga de material 0,5%
costo de descarga de material 0,5%
impuestos %
Mano de Obra
número de personas para reemplazar componentes
Número de días para reemplazar componentes
Horas de trabajo por día
mano de obra especializada por hora
Costos de acceso
Costo por hora de la grúa incluido el operador
número de horas por día
Costo de grúa por día incluyendo movilización y
desmob
número de días
impuestos
Items a evaluar: Materiales, M de O,
Acceso y Pérdidas de Producción.
Fallas en:
palas
Tren de
propulsión
Eje principal
Caja de
engranajes
Generador
Debilidades:
1. Hay que estudiar los
recursos
2. Debe elegirse la turbina
adecuada a la zona
3. El mantenimiento debe
analizarse con criterio
4. No todos los sitios son
favorables por tener viento
5. La
red
eléctrica
es
importante
6. Debe
estudiarse
el
comportamiento
del
parque en relación a la red
7. Debe cuidarse la calidad de
producto en relación a las
normas vigentes.
Fortalezas:
1. Energía renovable
2. No compromete el medio
ambiente
3. Potencia de los parques
aceptables.
4. A partir de cierta potencia
es rentable.
5. El avance tecnológico es el
mayor de todos los
sistemas
de
energías
sustentables
6. Los aerogeneradores son
de mayor potencia y se
requieren menos de ellos
para un gran parque.
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No he colocado como debilidad el ruido y la inconstancia de
los vientos, porque no estoy de acuerdo en citarlos de ese
modo.
Considero que el ruido no esta por encima de los valores que
otros sistemas tienen y con respecto a los vientos destaco que si
el desarrollo de la energía eólica en el País fuera el correcto se
podría establecer una producción media con bastante
aproximación siendo por lo tanto esta forma de producción de
energía de base.
EN CONCLUSIÓN: La energía eólica debe desarrollarse pero
con los estudios cuidadosos con que se realizan todos los
proyectos de producción de energía, sea cual fuere el
combustible a usar. La matriz energética debe modificarse en
nuestro País incluyendo ésta y otras formas de energías
renovables.
Dr. Ing. di Prátula, H.R.
Dr. Ing. di Prátula, H.R.
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Dr. Ing. di Prátula, Horacio Raúl 1.- Introducción: Recursos, su