ASPECTOS RELEVANTES DE ENERGÍA EÓLICA "WINDPOWER 2001"

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1 ASPECTOS RELEVANTES DE ENERGÍA EÓLICA "WINDPOWER 21" Luis Martín Gómez Rocha Comisión Nacional para el Ahorro de Energía Dirección de Energías Renovables Av. Insurgentes Sur No. 1582, Col. Crédito Constructor México, Distrito Federal, C.P. 394 Tel ext. 1225, Fax luismartin_gomez@yahoo.de RESUMEN Cada cinco años la Asociación Americana de Energía Eólica (American Wind Energy Association, AWEA), organiza su reunión anual en la ciudad de Washington DC. La generación de energía eléctrica con turbinas eólicas es la tecnología renovable de mayor crecimiento en años recientes, lo que ha significado que para mediados del año 21 se cuenten con más de 2, MW instalados en todo el mundo, con Alemania a la cabeza con alrededor de 6, MW seguidos por España, con 3, MW y los Estados Unidos, con una cifra cercana a España. Se analizan los avances tecnológicos que han logrado reducir los costos a niveles competitivos con otras fuentes, se revisa la evolución del desempeño de las turbinas eólicas, analizando algunos aspectos de la economía importantes para tomar en cuenta a la energía eólica como una realidad dentro de la oferta de energía mundial. INTRODUCCIÓN Cada cinco años la Asociación Americana de Energía Eólica (American Wind Energy Association, AWEA), organiza su reunión anual en la ciudad de Washington DC, para dar a los miembros de la industria eólica la oportunidad de mostrar a los legisladores la realidad de la situación de generación de electricidad a través de la energía eólica y proponer una legislación que fomente el crecimiento de la industria. En el año 21, se establecieron dos tardes para visitar a los Representantes y Senadores en el Capitolio. Alrededor de 3,8 MW en nuevas plantas eólicas entraron en funcionamiento durante el año 2 1 en todo el mundo, totalizando un total de 17,3 MW para el final de este año, lo cual es suficiente para generar alrededor de 37 billones de kwh por año de electricidad, lo que representa ventas anuales de alrededor de 4 billones de dólares. ANTECEDENTES Al finalizar el año, estaban por terminarse algunas de las plantas más grandes de los Estado Unidos. Cuatro plantas de 2 MW o más serán instaladas en Texas, California y en el Noroeste durante el 21. La Asociación Americana de Energía Eólica pronostica que para el final de este año se incrementará la capacidad en 2, MW. La energía proveniente de algunos proyectos ha sido contratada hasta en 3 centavos de dólar, con lo que la energía eólica ahora es más viable que el gas natural. El costo de la energía a partir de gas natural alcanzó de 15 a 2 centavos en California el último invierno 2. Con un crecimiento estable en Europa, un mercado creciente en Estados Unidos y una amplia cartera de proyectos en desarrollo en otros países, la visión global para el viento es muy brillante. Durante el año 21 la capacidad total en el mundo se incrementará en alrededor de 5, MW para sobrepasar los 2, instalados alrededor del mundo. En la siguiente gráfica se muestra la evolución de la capacidad instalada en la unión europea y en el mundo 3 2 Fuente: American Wind Energy Association, Global Wind Energy 1 Fuente: American Wind Energy Association, Global Wind Energy 3 Fuente: European Wind Energy Association, EWEA

2 2, 18, 7 16, 6 14, 12, 5 MW 1, 8, 6, 4, MW , Unión Europea ,211 1,683 2,515 3,469 4,772 6,458 9,645 12,822 Mundial 1,743 1,983 2,321 2,81 3,531 4,821 6,14 7,636 1,153 13,932 18,449 Figura 2. - Evolución de la capacidad instalada en la unión europea y en el Mundo El año pasado el crecimiento de la energía eléctrica se concentró en Europa con alrededor de 3,5 MW, de los cuales la mitad se instaló en Alemania. España instaló alrededor de 713 MW y Dinamarca 552. El crecimiento en Europa ha sido tan fuerte y estable que la Asociación Europea de Energía Eólica (European Wind Energy Association, EWEA) ha incrementado su meta para el año de 21 en un 5% pasando de 4, a 6, MW, de los cuales 5, serán "offshore" 4. La ligera disminución en la tasa de crecimiento de proyectos durante el año 2 (28% comparado con el 37% en 1999) es debido a la depresión temporal en el mercado de Estados Unidos. La región mediterránea está empezando a desarrollar proyectos de viento, por ejemplo al sur se encuentra uno de los mercados más dinámicos del mundo, España, con casi 3, MW instalados. Marruecos instaló alrededor de 5 MW como parte de su política de diversificación energética. La provincia de Apulia al sur de Italia, actualmente, está proyectando una planta eólica de 17 MW. Hacia el este en la línea costera del Mar Rojo, Egipto puso en operación 3 MW, a 25 km de la ciudad del Cairo. Turquía ha aprobado contratos para proyectos totalizando cientos de MW de nueva capacidad a partir del viento, los cuales probablemente entrarán en funcionamiento el próximo año. En la Figura 2 se presentan los 1 mercados de energía eólica más grandes del planeta 5 Alemania España EEUU Dinamarca India Figura 2. - Los 1 mercados de energía eólica más grandes del Mundo En contraste, los mercados asiáticos y latinoamericanos, con excepción de Argentina, permanecen estancados o con incertidumbre. India y China, con cantidades altas de capacidad instalada entre los países en desarrollo, han incrementado una mínima fracción de sus respectivos potenciales. En Centroamérica, las energías renovables enfrentan todavía barreras tales como las reestructuraciones de los mercados eléctricos. Por ejemplo, la nueva empresa privatizada de generación de energía en Nicaragua, ENEL; se retractó de una tentativa de instalar 22 MW en respuesta los requerimientos en política energética del Banco Interamericano de Desarrollo. Un proyecto de 6 MW para Honduras propuesto por Enron Wind Corp. Enfrentó incertidumbre debido a la reestructuración de la legislación energética de ese país. A pesar de todo esto la energía eólica, en esta región, presenta precios muy competitivos, lo anterior muestra que proyectos eólicos no serán llevados a cabo mientras las políticas y reestructuraciones energéticas no incluyan acciones efectivas para la promoción de las energías renovables. OBJETIVO Conocer las experiencias del desarrollo de la energía eólica en Estados Unidos, poniendo énfasis en el Marco Político y Regulatorio, así como en los incentivos desarrollados y propuestos tanto en el ámbito federal como estatal, así como los avances tecnológicos en turbinas eólicas. Holanda Reino Unido Italia China Grecia AVANCES TECNOLÓGICOS 4 Fuente: American Wind Energy Association, Global Wind Energy 5 Fuente: European Wind Energy Association, EWEA El desarrollo de la energía eólica se ha manifestado en el hecho de que ha sido, de todas las fuentes energéticas, la de mayor crecimiento durante el período , con un 25.7 % y la capacidad instalada se duplica cada 3 años. Para el fin del año 2 se tenían instalados alrededor de 17, MW alrededor del mundo, siendo la República Federal de Alemania, el primer lugar con alrededor de 6, MW. Existe el hecho de que las turbinas eólicas han incrementado su rango de potencias de apenas unos cuantos KW hasta tener turbinas de alrededor de 3 MW

3 ya disponibles en el mercado para aplicaciones en altamar. Los fabricantes de turbinas eólicas han reducido el costo de la generación mediante la implementación de técnicas de fabricación, empleando las ventajas que dan las últimas herramientas de ingeniería, aplicando nuevos conceptos a diseños existentes e incrementando el tamaño de las turbinas. Una de las vías para reducir los costos de la energía es incrementar el tamaño de las turbinas mediante el desarrollo de tecnología. En el año de 1997 el tamaño promedio de las turbinas instaladas se encontraba entre los 6 y los 75 kw. Para el año 2 los fabricantes están empezando a instalar maquinas de entre 1 y 2 MW, y muchos fabricantes se encuentran desarrollando máquinas de mayor potencia, las cuales se encuentran enfocadas para instalaciones "offshore" en aguas pocos profundas de las costas europeas. Esta tendencia es guiada por cuestiones económicas, porque las turbinas pueden generar mayor energía si el tamaño del rotor es mayor, lo que requiere también torres y generadores de mayor tamaño. Para aplicaciones "offshore" el incremento es justificado debido a que el costo de la plataforma y el cable hacia tierra es alto, por lo que es mejor instalar una turbina del mayor tamaño posible dentro de las limitaciones de diseño de las plataformas. Hay varias razones por las que incrementar el tamaño de las turbinas reduce el costo de la energía generada, porque, para ciertas características de viento, pueden extraer más energía. Los fabricantes argumentan que también los costos de fabricación se reducirían por un factor de escala. Sin embargo, en el año 2 se llevaron a cabo estudios que indican que con la tecnología actual, lo más grande no significa lo más barato. Estudios realizados por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, usando modelos de costo y de escalamiento, muestran que los costos decrecen hasta un punto y entonces empiezan a incrementarse. Palas El rotor (Palas y cubo) determina el diseño del resto de la turbina, porque en función del perfil aerodinámico y las propiedades mecánicas de las Palas serán las cargas y como se transmiten estas a los otros componentes. Las nuevas formas de las Palas han incrementado su desempeño en alrededor del 3% con respecto a las de hace 1 años. En el año 2 se desarrollaron estudios tendientes a evaluar las propiedades estructurales de un rango amplio de diseños aerodinámicos y de tamaños, con lo que se cuantifico la limitación de los actuales diseños de Palas. Los estudios mostraron que con los métodos de fabricación, diseños y materiales actuales el límite en el largo de las Palas se encuentra en alrededor de los 4 metros, ya que entre más grande sea ésta su peso se incrementa más rápidamente que su capacidad de captar energía, pues ésta se incrementa al cuadrado del largo de la pala, sin embargo el peso se incrementa al cubo del largo de la pala. El incremento en peso incrementa linealmente los costos de fabricación. Así que en el punto donde las fuerzas gravitatorias empiezan a ser factores relevantes, el incremento en el largo del diámetro, empieza a no ser justificado. Por lo anterior, las investigaciones tienden a usar nuevos materiales para vencer los factores de peso y el incremento de costos. Estas investigaciones se enfocan hacia cambios en los procesos de manufactura, en los diseños y los materiales, como es el caso de carbono o híbridos de carbono y vidrio, los cuales podrán reemplazar al acero, la fibra de vidrio y madera que actualmente se utilizan. Los trabajos en el área de manufactura se enfocan hacia procesos de alineación de las fibras y su compactación que reduce los vacíos en los materiales. Rotores Otros trabajos se condujeron hacia el desarrollo de nuevos rotores que podrían reducir las cargas en las Palas, permitiendoles ser más ligeros usando materiales convencionales. El primer paso consistió en desarrollar ensambles de rotores para evaluar los impactos de diferentes configuraciones en los costos de generación. Las configuraciones consideradas fueron para.75, 1.5, 3 y 5 MW. Los investigadores desarrollaron un modelo dinámico utilizando el denominado "FAST" (Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence) determinado y prediciendo como responden las turbinas con 3 diferentes configuraciones de rotores. Finalmente, el análisis de costos considerará los costos de capital, de manufactura, impacto en la operación y mantenimiento y su desempeño con cada configuración. Las opciones en la configuración incluyen números de Palas, la orientación corriente abajo o arriba, el movimiento y la flexibilidad permitida de las Palas y del cubo y la manera en que las Palas son empleadas para controlar la velocidad y la potencia de la turbina. Con estos datos se encontrarán los efectos de las cargas impuestas, materiales requeridos, ruido generado, facilidad de fabricación y los efectos dinámicos en el resto de los componentes. Por ejemplo, usando dos Palas en lugar de tres y como se varía el ángulo de ataque de estas, hace que las cargas hacia el resto de la máquina sean muy diferentes, la configuración de corriente arriba o abajo determina como será el resto de la turbina, Todos estos estudios determinarán las ventajas del uso de cada uno de los rotores, en ligereza, costos y desempeño del rotor. Además, se contarán con nuevas herramientas para estimar los impactos del diseño y la dinámica de los sistemas. Transmisiones Este componente ofrece un potencial de reducción de costos importante y debe ser considerado también. Actualmente, la mayoría de las turbinas utilizan una caja de engranes para incrementar la velocidad de rotación del generador, desde 1 a 3 revoluciones hasta las 12 y18 rpm. En la misma proporción en que las turbinas aumentan su capacidad hasta por ejemplo, 5 MW, las dimensiones físicas y de peso de las cajas se incrementan enormemente, lo cual incrementa el costo de producción y complica la logística de transporte e instalación.

4 Para sobrepasar esta barrera se están buscando nuevas configuraciones para las turbinas, las cuales pueden provenir de otras aplicaciones o algunas que nunca han sido empleadas. Estos conceptos incluyen el desarrollo de transmisiones de baja velocidad que reducen el peso de los equipos en la parte superior de la torre, además de incrementar su eficiencia de conversión, incluyendo el uso de la electrónica que reduce las pérdidas para operaciones de velocidad variable. En el año 2 dos compañías trabajaron en forma independiente para estudiar siete diseños de transmisiones. Estos estudios consideraron los impactos de los soportes de la flecha de transmisión, las cajas de engranes, configuración de los engranajes, cargas y fatigas en estos, rodamientos, generadores, y sus soportes. Los resultados demostrarán cuales son los mejores diseños para ser fabricados y probados. ASPECTOS ECONÓMICOS El reto es perfeccionar la tecnología, como ya se mencionó, para lograr captar la mayor cantidad de energía del viento y lograr mayor confiabilidad de los sistemas para entregar la energía a los clientes a un precio competitivo. Para el año de 198 el costo de generación se encontraba en alrededor de los 35 centavos de dólar por kwh hasta los 4 y 6 el día de hoy. Actualmente la generación con energía eólica presenta costos competitivos, pues como se presenta en la siguiente gráfica, estos son únicamente superados por el uso de gas natural: respectivamente, para una misma velocidad de viento lo cual evidencia el aprovechamiento de estas ventajas. A lo lardo de 2 años se ha evolucionado en costos y tamaños de las turbinas como lo vemos en la Tabla 1: Tabla 1. - Evolución del desempeño de las turbinas eólicas 6 Concepto Rotor (metros) Potencia ,5 (kw) Costo total ,3 (USDx13) Costo por 2,6 1,65 1,333 1, kw (USD) Energía generada (MW/H ,48 2,2 5,6 Actualmente los costos de capital, alrededor de 1, USD por kw, de un proyecto de energía eólica se desglosan como se puede ver en la tabla 2 y gráfica 4. Tabla 2. -Desglose de los costos de la energía eólica 6 Concepto Porcentaje del costo inicial Turbinas (FOB) 49 % Construcción 22 % Torre 1 % Intereses durante la construcción 4 % Conexión a la subestación 4 % Actividades desarrolladas 4 % Cuotas legales y de 3 % financiamiento Diseño e Ingeniería 2 % Transportación terrestre 2 % cent/kwh Cuotas legales y de financiamiento Actividades D & I Transportación t. 2 Conexión Intereses Gas natural Eólica con incentivo Eólica sin incentivo Carbón Minihidráulica Geotérmica Nuclear Torre Turbinas (FOB) Figura 3. - Comparación de costos de generación con diversas fuentes 6 Aunque estos costos han decrecido significativamente los investigadores consideran que nuevas mejoras podrían reducir estos costos de un 3 a 5% más. La meta propuesta por el Departamento de Energía los Estados Unidos es alcanzar costos de 3 centavos de dólar por kwh en sitios de buen recurso para el año 24 y de 3 centavos de dólar a 4 en sitios de potencial moderado para el período Asimismo, la economía de escala presenta un papel muy importante en el costo de generación, pues por ejemplo, dos plantas eólicas una de 3 y otra de 51 MW, presentan costos de.59 y.36 centavos de dólar 6 WINDPOWER 21 Construcción Figura 4. - Desglose de los costos de la energía eólica A la luz de estos resultados existen ejemplos de proyectos que han sido desarrollados en zonas rurales, lo que ha traído desarrollo económico para estas, pues el es más redituable la instalación de generadores eólicos que sembrar. Esto no quiere decir que las tierras dejan de producir alimentos, sino al contrario al contar con fuentes de energía se vuelven zonas más tecnificadas lo que también incrementa su productividad por unidad de área. Para el caso de México, es bien conocido el hecho de que existen zonas rurales que cuentan con buen recurso y en el caso de

5 Oaxaca, excelente, donde se podrían instalar generadores que no necesariamente tienen que ser de cientos de kilowatts sino de mediana potencia, que les permitirían abstecerse de energía, para sembrar y cosechar con mayor tecnología lo que elevaría el nivel de vida de estas poblaciones marginadas. Asimismo, se pueden aprovechar los apoyos internacionales tanto desde el punto de vista de desarrollo regional como los que tienen que ver con medioambiente. MECANISMOS DE INCENTIVACIÓN En algunos estados de la Unión Americana se han desarrollado mecanismos de incentivación hacia la energía eólica, pero principalmente han sido incentivos fiscales, desarrollo del portafolio de las energía renovables, que en el caso del estado de Texas es un excelente ejemplo de cómo hacerlo.. Las iniciativas tomadas en Texas lo han llevado a ser el estado con más desarrollo en años recientes. Los incentivos básicamente han sido que los distribuidores están obligados a comprar cierta cantidad de energía proveniente de renovables, mediante un sistema de denominado de "Créditos de energía renovable", el cual cada uno equivale a 1 megawatt-hora. A escala federal, existen los denominados Fondos para el Beneficio de los Sistemas, el cual se distribuye a través de tres metodologías: incentivos a la producción, incentivos a la inversión y desarrollo de la infraestructura. Mediante estos se colectarán alrededor de 3.5 billones de dólares al año 214 y fomentará más de 1, MW en los próximos años. El Mercado Verde de Energía, es otro de los mecanismos propuestos para el desarrollo de proyectos, estableciendo un valor monetario para los beneficios medioambientales, además de dar a conocer a las energías renovables y promoverla la conciencia de consumidores. Usualmente son proyectos de pequeña escala y contratos de corto plazo. Existen diferentes formas de comprar energía verde: la primera es a través de un mercado competitivo que en este caso los consumidores escogen a la empresa que quieran que les suministre la energía proveniente de fuentes renovables. Otra forma es a través de precios de la energía verde, que consiste en que las empresas ofrecen a los consumidores la elección de apoyar la construcción de plantas de energía renovable. El tercero consiste en etiquetas verdes, los cuales son atributos medioambientales separados de la generación de energía. También se sabe que donde actualmente no se están desarrollando proyectos con energías renovables es porque existen restricciones en la transmisión o porque la competencia en la generación es barata y que la crisis energética de California ha representado una oportunidad para la pequeñas plantas eólicas, porque los precios de la electricidad y el gas natural se han incrementado, ha decaído la confiabilidad del suministro de energía y por lo que este tipo de generación ha llamado la atención de los medios. Asimismo, existe un programa de desarrollo de pequeñas turbinas, en el cual se contempla favorecer este tipo de turbinas mediante fondos, la exención de impuestos, que ya se da en algunos estados, y programas de medición neta para compraventa de energía eléctrica. Asimismo, en Europa se ha desarrollado un contexto político en ha fomentado la energía eólica y donde se ha visto la necesidad de intervenir el mercado mediante concesiones de capital, el pago fijo y por un período de tiempo determinado, así como la obligatoriedad de comprar energía por parte de las compañías distribuidoras mediante un sistema de cuotas. CONCLUSIONES La energía eólica es de la fuentes renovables la de más rápido crecimiento en los años recientes, y se espera que para finales del año 21 se superen los 2, MW instalados en todo el mundo. Las políticas energéticas estatales o federales constituyen un aspecto fundamental y de suma importancia para fomentar o en su caso frenar el desarrollo de proyectos de energía eólica, por lo que se debe trabajar en este tema y tener en cuenta los aspectos ambientales, lo que involucra también otros sectores de toma de decisiones, y asimismo de desarrollo regional y aumento de nivel de vida de la población. La generación de energía a partir del viento ha sido desarrollada mediante estímulos y control del mercado, lo que no ha significado abandonar la economía de mercado sino simplemente combinar ambas estrategias a favor del desarrollo de la energía eólica, así como, con reglas de transmisión de energía favorables. La energía eólica puede ser motor de desarrollos rurales y regionales, tanto para vender la energía generada como para suministrarla en zonas donde se puede aplicar para elevar el nivel de vida de la población. Los costos de la energía eólica actualmente para plantas de gran escala y con buen factor de planta son competitivos con algunas plantas que utilizan combustibles fósiles. El desarrollo tecnológico de los generadores eólicos hará de esta fuente de energía una opción cada vez más competitiva, además de permitir la conexión de éstas unidades generadoras a la red de suministro sin problemas de inestabilidad en las redes de trasmisión. REFERENCIAS American Wind Energy Association, Global Wind Energy American Wind Energy Association: WINDPOWER 21, European Wind Energy Association: Department of Energy, USA, Wind Power Today, 21 Report of the National Energy Policy Development Group, May 21,