Oportunidades de sinergia entre la energía eólica y los sistemas de generación convencional.

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1 Rafael Arturo Martínez Sánchez Universidad de Oldenburgo. Maestría en Ciencias en Energías Renovables Oportunidades de sinergia entre la energía eólica y los sistemas de generación convencional. Introducción. Existe una gran dependencia de combustible para la autogeneración de energía en las plataformas petroleras marinas en México. Las plataformas están equipadas regularmente de moto generadores diésel, o turbinas de gas con motores sincrónicos, para proveer de electricidad a los diversos equipos y servicios que son requeridos a bordo. Este tipo de generación tiene altas emisiones de gases de efecto invernadero, el riesgo de derrames en el mar, además de resultarle bastante costosa al estado mexicano. La energía eólica marina podría contribuir sustancialmente a la solución de estos problemas. A continuación se abordará la propuesta de interconectar aerogeneradores marinos con los equipos de generación convencional a bordo de plataformas petroleras. Panorama del sector energético (hidrocarburos). Petróleos Mexicanos PEMEX presenta desde hace varios años una declinación importante en sus reservas totales de hidrocarburos, entre 2001 y 2013 las reservas probadas disminuyeron 42% pasando de 24 a 14 mil millones de barriles (Programa Sectorial 2013). Esta situación ha contribuido a la disminución en producción y exportaciones; en 2013, las exportaciones de crudo promedio fueron de 1189 miles de barriles diarios, 6.7% menos que en 2012 (PEMEX Informe Anual 2013). A finales de 2013 fue aprobada la Reforma Energética donde el gobierno federal incluyó su propuesta para contrarrestar la caída de producción; los mecanismos para lograr este incremento y el análisis sociopolítico-ambiental de esta nueva legislación quedan fuera de los alcances de este documento, por lo que autor se limita a hacer evidente que un incremento sostenido en la explotación lleva como resultado inexorable acelerar la tasa de agotamiento de nuestros recursos petroleros.

2 Autogeneración en plataformas marinas. En el Golfo de México existen en 254 plataformas marinas entre plataformas de exploración, perforación, explotación, rebombeo y satélites, en ellas laboran miles de trabajadores que se rotan periódicamente para mantener la operación todo el año. Hay más de 9,000 pozos activos y de ellos se extrae el 76% de crudo que se exporta al extranjero (PEMEX Informe Anual 2013), por lo que la operación requiere grandes cantidades de energía para llevar a cabo sus actividades productivas. Dado que no existe infraestructura para transmición y distribución de electricidad entre tierra firme y las plataformas marinas, la potencia eléctrica debe ser producida a bordo de las plataformas. La autogeneración es accionada principalmente por turbinas de gas combustible, o bien, motores de combustión interna; al menos cada plataforma debe contar con dos unidades, las cuales trabajando al 50% cada una deben cubrir la demanda total (NRF-181-PEMEX ). En el caso de plataformas impulsadas por motores de combustión interna, comúnmente llamados moto generadores, el diesel debe ser enviado desde tierra periódicamente, transportado por barcos abastecedores y almacenados en grandes tanques a bordo de las mismas. Lo anterior se traduce en un significativo gasto para PEP, ya que un típico moto generador de 1000HP usado en las plataformas puede llegar a consumir un promedio anual de 1.75 millones de litros de diesel (Hernández Soto Et al.). El consumo total de una plataforma dependerá del número de motogeneradores, su capacidad y carga constante, por supuesto estas características son resultado del tipo, tamaño y operaciones que deban llevarse a cabo en cada instalación petrolera. En 2010 la capacidad para autogeneración en México ascendió a MW, el 25% instalado en PEMEX, de los cuales PEP contaba con MW (Balance SENER 2010); PEP es el organismo subsidiario de PEMEX encargado de las operaciones extractivas y productivas. Solo para el caso de plataformas marinas deshabitadas, la norma de referencia NRF-181 abre la posibilidad de que los sistemas de energía eléctrica sean abastecidos por celdas fotovoltaicas, micro generación o sistemas eólicos; sin embargo, en la norma de referencia 224 se especifica el uso de micro turbinas, celdas fotovoltaicas, moto generadores y sistemas híbridos fotovoltaicos-moto generadores, como únicos sistemas autónomos de generación eléctrica, comúnmente llamados SAGE, para las plataformas marinas (NRF-224-PEMEX-2009). Hasta donde el autor tiene conocimiento, existen sistemas fotovoltaicos instalados en plataformas deshabitadas, principalmente satélites y periféricas, pero ningún sistema eólico participando en la autogeneración.

3 Recurso eólico y su proyección en México. A principios de 2013, la capacidad instalada nacional de energías renovables era MW, de los cuales la gran mayoría (11707 MW) correspondieron a hidráulica y, en segundo lugar, tan solo 1289 MW a energía eólica; la capacidad instalada total en México se ubicó en MW en Septiembre de 2013 (Programa Sectorial 2013). La SENER estima que existe un potencial eólico de al menos MW en nuestro país (PROMEXICO 2013), sin embargo este número podría aumentar en un futuro próximo, ya que diferentes estimaciones se han dado a lo largo de los últimos años y el recurso eólico siempre ha mostrado una tendencia a la alza conforme mayor investigación y mediciones son realizadas: en 1998 la CFE y el Insituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) reportaron un potencial de entre 3000 y 5000 MW, mientras que en 2008 la CFE reportó 7000MW (Hernández Soto Et al.). Los estados de la República Mexicana que se destacan por su potencial eólico son Baja California, Baja California Sur, Zacatecas, Tamaulipas, Campeche, Oaxaca, Yucatán y Quintana Roo. Coincidentemente, los únicos mapas de viento disponibles son de Oaxaca el más detallado, Yucatán, Quintana Roo, Baja California y Campeche; todos elaborados por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos de América (NREL por sus siglas en inglés) (Hernández Soto Et al.). Dentro del Programa de Obras e Inversiones (POISE), el Programa de Requerimiento de Capacidad (PRC) considera que la participación de renovables deberá alcanzar los MW para el año 2028 (Programa Sectorial 2013). Esto equivale a instalar casi 700 MW anuales, algo similar a instalar cada año 175 aerogeneradores de 4 MW cada uno, por los próximos 13 años. Si bien este objetivo parece dificil de alcanzar, no es una tarea imposible; Alemania por ejemplo, solamente de energía eólica cuenta con una capacidad instalada de 33.7 GW, reportando una instalación anual de energía eólica de 2.3 GW en 2012 y 3.2 GW en 2013 (EWEA Wind Report 2013).

4 Suministro de energía a plataformas marinas con sistema híbrido de aerogeneradores marinos de eje horizontal y motores de combustión interna. A continuación se presentan investigaciones que se han hecho en relación al aprovechamiento de la energía eólica marina en plataformas petroleras costa afuera. En la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, NTNU por sus siglas en inglés, Årdal (2010) fue uno de los primeros en analizar la viabilidad técnica de integrar energía eólica marina junto con plataformas petroleras costa afuera en un sistema aislado. Årdal simuló la conexión de una granja eólica de 20 MW a una plataforma con carga máxima de 40 MW y con una capacidad instalada de 50 MW. El estudio concluyó la viabilidad de interconectar aerogeneradores con VSC junto con plataformas petroleras con turbinas de gas, en sistema aislados. El reporte también discutió varias opciones de mejora y sugerencias para estudios futuros, a continuación se mencionarán solo algunas de ellas: la compensación de potencia reactiva durante caídas de voltaje, considerando la longitud del cable submarino y los transformadores, puesto que el estudio demostró condiciones desfavorables en esta situación; la compensación entre ambos sistemas de control de potencia, de la turbina de gas y de la turbina eólica, cuando existe mayor o menor demanda de la plataforma a fin de evitar aceleración o desaceleración de la turbina eólica fuera de los límites de diseño. (Årdal) Por su parte, Maheshkumar Hadiya (2011) investigó la estabilidad, confiabilidad y seguridad eléctrica de un sistema de red aislado entre plataformas petroleras marinas y granjas eólicas, usando transmisión de corriente alterna de alto voltaje, (HVAC por sus siglas en inglés); en este estudio se consideraron cinco plataformas reales de distintas características de voltaje y consumo, con potencia total instalada de 100 MW con turbinas de gas y una de vapor; se simularon varias tipologías de interconexión vía HVAC con veinte aerogeneradores de 5 MW cada uno. Se concluyó que el sistema se adapta bien a la demanda de las plataformas, donde la tipología de interconexión tipo malla reduce las variaciones de voltaje y de frecuencia, además que facilita la compensación de potencia cuando la energía eólica no es suficiente, a través de las turbinas de gas de las plataformas colindantes. El estudio plantea retos que deben estudiarse con mayor profundidad para mejora del sistema, como son la inclusión de controladores de frecuencia y el uso de reserva rodante en las granjas rodantes (Hadiya). Ningún proyecto podría ser implementado sin analizar su viabilidad económica, por lo que Magnus Korpås (2012) investigó estos sistemas híbridos considerando aspectos técnicos, económicos y ambientales. En este caso, se simuló una granja eólica con capacidad instalada de 20 MW conectada paralelamente a una plataforma real con dos turbinas de gas de 23 MW cada una, y una penetración de energía eólica de 40%. Al igual que los estudios anteriores, se concluyó la factibilidad técnica de

5 interconectar eólica marina con turbinas de gas a bordo de plataformas costa fuera, sin embargo los resultados del estudio también revelaron viabilidad económica y ambiental. Se estimó una producción de 90 GWh al año que generarían una reducción de 24 millones de m 3- standard de combustible, equivalente a un ahorro anual de 5.73 millones de euros. En adición, se dejarían de generar un aproximado de 54 mil toneladas de CO2 y 367 toneladas de NOX. Es importante mencionar que para la estimación del ahorro se incluyó el costo de bonos de carbono y de óxidos de nitrógeno, adicionales al coste del combustible gas, entro otras exenciones que solo son válidas en el país de estudio. (Korpås et al.). Otras investigaciones han extendido su objeto de estudio incluyendo interconexiones entre los aerogeneradores, las plataformas petroleras y redes de transmisión a tierra firme, la más reciente fue publicada por Wei He et al en (He et al.) Hasta donde el autor tiene conocimiento, se ha realizado solo un trabajo de investigación acerca de la incorporación de energía eólica a la autogeneración de plataformas petroleras marinas de PEMEX en el Golfo de México. En 2011 se publicó el trabajo de Hernández, en el cuál se evaluaron las condiciones viento en la sonda de Campeche y el litoral de Tabasco y se realizó el estudio económico de conectar turbinas eólicas con moto generadores diésel para proveer de potencia a una plataforma petrolera costa afuera. Derivado del procesamiento de datos se obtuvieron resultados una velocidad promedio anual superiores a los 8 m/s e intensidad de turbulencia de 10%. La velocidad promedio anual ubica a la zona bajo estudio como clase 7 o excelente, de acuerdo al estándar manejado por el NREL (Figueroa-espinoza, Salles, and Zavala-hidalgo). Los cálculos de potencia arrojaron una producción promedio anual de 10 GWh, con una turbina de 3 MW, lo cual se traduce en reducciones de 9,653 toneladas de GEI al año. En adición, los cálculos demostraron indicadores financieros, como TIR, VAN y CB, económicamente viables (Hernández Soto Et al.).

6 Conclusiones. Como se ha podido establecer, México tiene una gran demanda de energía en su proceso de exploración, perforación y producción de hidrocarburos, y a la vez, cuenta con un gran potencial de energía eólica que apenas ha comenzado a explotarse. Las investigaciones y casos presentados han demostrado que es posible el aprovechamiento de la energía eólica en instalaciones petroleras; otros países ya están recibiendo los beneficios de estos sistemas, en el en el Reino Unido la granja eólica marina Beatrice de 10 MW suministra actualmente energía eléctrica a una plataforma del campo petrolero Beatrice, ubicada en el Mar del Norte cerca de las costas de Escocia (Reynolds et al.) La implementación de sistemas de interconexión entre eólica marina y plataformas petroleras tiene el potencial de impactar positivamente a México en tres ejes principales: mayor independencia energética, menor erogación de recursos públicos y disminución en el impacto ambiental. Sin embargo, para materializar estos beneficios se requiere mayores recursos para la investigación y desarrollo de este y otros proyectos, enfocados al desarrollo energético de nuestro país. Al 2013, la inversión nacional en ciencia y tecnología ha sido por debajo del uno por ciento del PIB, desde 2006, situando a México en por debajo del promedio latinoamericano (Programa Sectorial 2013). Es urgente la obtención de un mapa eólico nacional que permita planear estratégicamente la instalación de granjas eólicas a mediano y largo plazo, sin tener que depender de otros países y compañías extranjeras. Dejando a un lado la discusión nacional acerca de los impactos económicos, políticos, ambientales y sociales de la Reforma Energética, la realidad es que los recursos petroleros se agotarán cada vez con mayor rapidez gracias al pronosticado aumento de producción de hidrocarburos y a la entrada de compañías extranjeras con tecnologías de extracción más avanzadas. Es por eso que las energías renovables juegan un papel sumamente importante en el futuro energético de México, nuestra seguridad e independencia energética podrían depender de ello.

7 Bibliografía. Årdal, Atle Rygg. Feasibility Studies on Integrating Offshore Wind Power with Oil Platforms. Norwegian University of Science and Technology, Print. Balance SENER Balance Nacional de Energía Ciudad de México: N.p., Print. EWEA Wind Report 2013, European Wind Energy Association (EWEA). Wind in Power 2013 European Statistics. N.p., Print. Figueroa-espinoza, Bernardo, Paulo Salles, and Jorge Zavala-hidalgo. On the Wind Power Potential in the Northwest of the Yucatan Peninsula in Mexico (2013): Print. Hadiya, Maheshkumar. Case Study of Offshore Wind Farm Integration to Offshore Oil and Gas Platforms as Isolated System - System Topologies, Steady State and Dinamyc Aspects. July (2011): n. pag. Print. He, Wei et al. Case Study of Integrating an Offshore Wind Farm with Offshore Oil and Gas Platforms and with an Onshore Electrical Grid. Renewable Energy (2014): 5 9. Print. Hernández Soto Et al., Raymundo. El Uso de Aeroventiladores Para La Generación de Electricidad En Plataformas Petroleras. Instituto Politécnico Nacional, Print. Korpås, Magnus et al. A Case-Study on Offshore Wind Power Supply to Oil and Gas Rigs. Energy Procedia (2012): Web. 26 Aug NRF-181-PEMEX Sistemas Eléctricos En Plataformas Marinas. México: PEMEX, Print. NRF-224-PEMEX Sistemas Autónomos de Generación Eléctrica Para Plataformas Marinas Deshabitadas. Mexico: PEMEX, Print. PEMEX Informe Anual 2013, Petroleos Mexicanos. PEMEX Informe Anual N.p., Print. Programa Sectorial Programa Sectorial de Energía ( ). N.p., Print. PROMEXICO 2013, Unidad De Inteligencia De Negocios Secretaería de Energía. Energías Renovables. N.p., Print. Reynolds, James et al. Beatrice Demonstration N.p., Web. 24 Oct

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