Anexo II. Aspectos de la Evaluación del Recurso Eólico en el Corredor Eólico del Istmo de tehuantepec

Transcripción

1 Aspectos de la Evaluación del Recurso Eólico en el Corredor Eólico del Istmo de tehuantepec Introducción. En México, el recurso eólico en tierra firma que es potencialmente aprovechable para generar electricidad a costos razonables, típicamente se encuentra concentrado en zonas de algunos cientos o miles de km 2 ; es decir, áreas relativamente pequeñas respecto a la extensión del territorio nacional. Por supuesto, el primer paso para lograr su utilización es localizar los veneros de energía eólica mediante su prospección. Para ello, existen diferentes técnicas que van desde la referencia popular hasta el uso de imágenes de satélite y modelos teóricos de mesoescala, entre otras. Sin embargo, actualmente no importa que tan sofisticados sean los métodos de prospección; la evaluación de la factibilidad técnicoeconómica de un proyecto eoloeléctrico exige el conocimiento detallado del comportamiento del viento a lo largo del tiempo y, para ello, es imprescindible llevar a cabo mediciones anemométricas en el sitio del posible emplazamiento de una central eoloeléctrica. Actualmente existen equipos electrónicos que permiten medir con buena precisión y exactitud la velocidad y la dirección del viento; es decir, los parámetros básicos requeridos para evaluar el recurso eólico. Asimismo, existen métodos, procedimientos y programas de computadora para generar la reducción estadística de datos y obtener resultados de interés, entre los que están: El patrón diario de velocidad. Este patrón muestra el comportamiento típico del viento durante las 24 horas del día. Dependiendo de la naturaleza del viento en una región determinada, el patrón diario de velocidad puede existir o no. Cuando existe, también puede ser diferente entre las estaciones del año. La distribución de la velocidad del viento. Permite conocer el tiempo durante el cual se presentaron velocidades de viento clasificadas en rangos de magnitud, durante un período de tiempo determinado. Sirve de base para estimar la energía aprovechable del viento en un sito o área específica, por métodos determinísticos. Función de densidad de probabilidad. Típicamente se utiliza la función de densidad de probabilidad de Weibull para realizar estudios probabilísticos del potencial de generación de electricidad en un sitio de interés. En algunos casos (como el del Corredor Eólico del Istmo de Tehuantepec) se deben hacer consideraciones especiales para el uso adecuado de esta función (v.g., distrubición bimodal). Es importante mencionar que en la literatura se recomienda que la altura para llevar a cabo las mediciones anemométricas sea de 20 metros como mínimo. Sin embargo, cuando ya se tiene un proyecto eoloeléctrico en mente, lo mejor es medir a la altura a la que se instalarían los aerogeneradores, o por lo menos a 40 metros de altura sobre el terreno. Se debe

2 considerar que el contenido energético del viento es mayor cuanto mayor sea la altura; por consiguiente es recomendable medir a diferentes alturas sobre el terreno, en dos o más puntos para conocer el perfil de la velocidad del viento sobre el terreno. Las mediciones anemométricas para evaluar el recurso eólico y evaluar la factibilidad de proyectos eoloeléctricos se deben llevar a cabo por lo menos durante un año. No obstante, una vez que se tiene identificado un sitio o un área en donde se desea realizar un proyecto eoloeléctrico, es muy recomendable mantener las mediciones anemométricas en forma continua ya que al contar con más años de información, los resultados de los estudios serán más confiables y aceptables por parte de las instituciones de crédito. Con base en las mediciones anemométricas se realiza la cuantificación del potencial energético en términos de energía disponible. Para expresar la energía eólica disponible en un sitio determinado, comúnmente se utiliza el concepto de densidad de potencia eólica que a su vez se expresa en unidades de kw/m 2. Evaluación del recurso eólico del Corredor Eólico del Istmo de Tehuantepec. El primer estudio del viento en el Corredor Eólico del Istmo de Tehuantepec, orientado a estimar la viabilidad de aprovechamiento de la energía eólica, comenzó a mediados de la década de Con el patrocinio de CFE se instalaron dos estaciones anemográficas en la zona. En una de ellas se registraron vientos superiores a los 30 km/h por más de 3,500 horas en un año y más de 2,000 horas con vientos superiores a 40km/h. Desde esas fechas, el ingeniero Enrique Caldera Muñoz, entonces investigador del IIE, señaló que dicha zona era muy adecuada para la instalación de aerogeneradores en gran escala. Con base en ello se delimitó una zona eólica a la que le llamó La Ventosa, tomando el nombre del poblado La Ventosa, ubicado a 17 km al noroeste de la ciudad de Juchitán. Se decía entonces que la superficie del área con recurso eólico podría ser cercana a 1,584 km 2 (Caldera et al., 1980). Para delimitar esta región, el ingeniero Caldera trazó un conjunto de líneas que partiendo de la ciudad de Juchitán, se extendían hasta: 1. En dirección al noroeste; 18 km, en línea recta, hasta la ciudad de Ixtepec y 16 km, hasta Comitancillo. 2. En dirección al suroeste; 30 km hasta la ciudad de Tehuantepec y 34 km, en línea recta, hasta el puerto de Salina Cruz. 3. En dirección al sur; 11 km hasta la costa de la Laguna Superior. 4. En dirección al este; 21 km hasta el poblado de Unión Hidalgo, aumentados en 15 km, hacia adelante. 5. En dirección al noroeste; 32 km en línea recta hasta Santo Domingo y 18 km, hasta las faldas del Cerro Lagartero pasando por el poblado La Ventosa. 6. En dirección al norte; 12 km hasta La Villa del ferrocarril transístmico. 168

3 Ilustración II-1. Ubicación de La Ventosa. Con base en estudios llevados a cabo posteriormente por personal del IIE, se consideró que el área del recurso eólico aprovechable podría abarcar toda la superficie que ocupa la llanura costera con una extensión cercana a cerca de 3,000 km 2. Por ello, el área eólica se delimitó tomando como referencia la primera curva de nivel de 100 metros de altura sobre el nivel medio del mar. Esta curva de nivel parte desde las cercanías de la ciudad de Salina Cruz hasta los límites entre Oaxaca y Chiapas (ver ilustración II-2). Ilustración II-2. Delimitación de la zona La Ventosa Se requería entonces de la localización de sitios específicos para la instalación de estaciones anemométricas. En noviembre de 1983, el IIE inició el proyecto Evaluación 169

4 Preliminar del Potencial de Generación Eléctrica en la Zona de La Ventosa, Oaxaca. Este proyecto contó con apoyo económico del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) y con la participación de un profesor del Instituto Tecnológico del Istmo de Juchitán, Oaxaca. El trabajo llevado a cabo por el IIE entre los años 1983 y 1986 tuvo como objetivo la evaluación preliminar del recurso eólico en la zona de La Ventosa, Oaxaca. Se buscó cuantificar espacial y temporalmente el viento para ubicar sitios de aprovechamiento con base en la viabilidad técnico-económica de posibles desarrollos. Para ello se obtuvo: 1. Velocidad media del viento, desviación estándar y distribución de la velocidad del viento. 2. Potencia media por unidad de área o densidad de potencia media, expresada en W/m 2, a 10 metros de altura sobre en nivel del terreno en periodos mensuales, estacionales y anuales. 3. Energía por unidad de área o densidad de energía (kwh/m 2), a 10 metros de altura sobre en nivel del terreno en periodos mensuales, estacionales y anuales. 4. Patrones de distribución de velocidades de manera diaria, frecuencia por rumbos y ocurrencia de calmas, estos últimos de manera mensual. Se instalaron cinco estaciones anemométricas y una estación climatológica de acuerdo con lo siguiente: Estación No. 1, La Ventosa. Localizada en el Centro experimental del INIA localizado sobre la Carretera Federal No. 190 (en el tramo Juchitán-La Ventosa). Estación No. 2, Tehuantepec. Estación climatológica piloto No.1 localizada en Tehuantepec (en el tramo Juchitán-Tehuantepec). Estación No. 3, Salina Cruz. Observatorio del Servicio Meteorológico Nacional localizado en Salinas del Marqués (en las cercanías del puerto Salina Cruz). Estación No. 4, Unión Hidalgo. Localizada en la Escuela Secundaria Técnica No. 33 (en el poblado de Unión Hidalgo). Estación No. 5, La Venta. Localizada en la Escuela Secundaria Técnica No. 93 (en el poblado La Venta). Estación Climatológica de Juchitán. Localizada en el Instituto Tecnológico del Istmo, Juchitán. En la ilustración II-3 se presentan los datos de la velocidad media mensual que se obtuvieron en aquel tiempo para las cinco estaciones anemométricas. Ahí se puede observar que desde entonces los resultados obtenidos por el IIE, que por cierto se dieron a conocer públicamente, señalaban a La Venta como el sitio con mayores velocidades de viento en la región. 170

5 Ilustración II-3. Velocidad media del viento a 10 metros de altura, en cinco sitios de la Zona de La Ventosa, según estudios realizados por el IIE en En las conclusiones de la evaluación preliminar del recurso eólico en La Ventosa, realizado por el IIE, ya se indicaba que las centrales eoloeléctricas que se instalaran en el sitio podrían llegar a operar con factores de planta entre 30 y 50% (Caldera y Saldaña, 1986). La región Sur del Istmo de Tehuantepec significa para el Sector Eléctrico, no sólo la oportunidad de aprovechar un rico recurso energético, sino también, la de un gran potencial de desarrollo industrial y tecnológico, que puede enfrentarse basándose en la infraestructura industrial, de investigación y educación superior existentes en el país Enrique Caldera Muñoz, En 1991, el IIE inició un análisis preliminar del viento en los poblados: La Mata, Santo Domingo y Rancho Salinas (Caldera et al. 1992). En este trabajo se llevó a cabo la estimación eoloenergética en forma mensual y anual para los poblados mencionados a partir del patrón estacional de velocidades observadas en la región. Dicho análisis formaba parte del proyecto Generación de Electricidad con Sistemas Eólicos para Bombeo de Agua en la región de La Ventosa, en el Istmo de Tehuantepec, Estado de Oaxaca, que llevaba acabo el Centro de Investigación en Energéticos y Desarrollo (CIEDAC). Así, el IIE fue contratado para analizar la posibilidad de implementar sistemas accionados por viento. Para tal efecto, se llevó a cabo la instalación de tres equipos anemométricos con la finalidad de realizar un estudio preliminar del comportamiento del viento en La Mata, Santo Domingo y 171

6 Rancho Salinas. En estos sitios se llevaron acabo mediciones anemométricas desde mediados de noviembre de 1991 hasta mediados de julio de Con base en el reconocimiento de los lugares propuestos para el aprovechamiento eoloenergético, se localizaron tres puntos para llevar acabo la medición de la dirección y velocidad del viento a 10 metros de altura sobre el terreno a intervalos regulares de 15 minutos. En la Tabla II-1 se anotan las coordenadas geográficas de los sitios de medición seleccionados. Tabla II-1. Coordenadas Geográficas de los sitios de mediciones. Coordenadas Geográficas Sitios de medición Latitud Norte Longitud Oeste La Mata 16º º Santo Domingo 16º º Rancho Salinas 16º º15 29 En las ilustraciones II-4, II-5 y II-6 se muestran los principales resultados obtenidos. Para el caso de La Mata, se observó que este sitio presenta velocidades de viento intensas con dirección predominante Norte y Noreste. Los resultados presentados en la ilustración II-4 corresponden al periodo de medición del 14 de noviembre de 1991 al 6 de junio de Para el caso de Rancho Salinas se observó influencia de sistemas locales de comportamiento del viento. Los resultados de ésta localidad se muestran en la ilustración II-5 y corresponden con el periodo del 13 de noviembre de 1991 al 10 de julio de Por último en la ilustración II-6 se reportan los resultados para la localidad de Santo Domingo, mediciones llevadas a cabo durante el periodo del 15 de noviembre de 1991 al 3 de mayo de Ilustración II-4. Resultados obtenidos en La Mata, Oaxaca, del 14 de noviembre de 1991 al 6 de junio de

7 Ilustración II-5. Resultados obtenidos en Rancho Salinas Oaxaca, del 13 de noviembre de 1991 al 10 de julio de Ilustración II-6. Resultados obtenidos en Santo Domingo, Oaxaca, del 15 de noviembre de 1991 al 3 de mayo de 1992 En las conclusiones del informe correspondiente se mencionó que el aprovechamiento del recurso eólico en La Mata y en Santo Domingo es viable para la generación eléctrica. 173

8 A inicios de 1996, la Comisión para la Cooperación Ambiental Canadá Estados Unidos México contrató al IIE para llevar a cabo un Estudio de Prefactibilidad para un Proyecto de Energía Eólica de 150 MW en La Ventosa, Oaxaca, México. El objetivo de dicho estudio fue identificar el marco técnico, económico y regulador en el que se podría formular el proyecto con fines de implementación conjunta. En esta ocasión, el ingeniero Marco Borja, investigador del IIE dirigió dicho proyecto y realizó las investigaciones principales, incluyendo la estimación del potencial de generación de electricidad, el costo nivelado de generación de electricidad con energía eólica y el potencial de mitigación de gases de efecto invernadero y contaminantes atmosféricos (Borja et al., 1997). Cabe mencionar que los parámetros base que se utilizaron para definir el recurso eólico en la zona de La Ventosa, fueron la velocidad media del viento y su respectiva desviación estándar en periodos mensuales, asociados con la distribución de su dirección y rumbo. Estos datos fueron adquiridos por mediciones realizadas por el IIE entre 1984 y 1985 con cinco estaciones anemométricas referidas en párrafos anteriores. Los datos de la estación anemométrica del poblado La Venta fueron los que se utilizaron para la estimación del potencial de generación eoloeléctrica debido a la posible ubicación de la central de 150 MW en esta área. En el trabajo desarrollado se analizó el potencial de generación de electricidad. Para ello se utilizó la metodología recomendada por la Agencia Internacional de Energía publicada en Al realizar la estimación del potencial de generación de electricidad para una capacidad instalable de MW se consideraron tecnologías disponibles en los Estados Unidos y se seleccionaron dos máquinas con potencias nominales de 550 kw y 275 kw con altura de instalación cercana a 40 metros sobre el nivel de terreno. Para los cálculos se consideraron los siguientes puntos: Para cada mes del año, se consideró la distribución de la velocidad del viento extrapolada a la altura de instalación de los aerogeneradores. Los datos de la curva de potencia de los aerogeneradores considerados. Un factor de disponibilidad técnica atribuible a fallas y mantenimiento de las unidades generadoras con un valor de 0.98 en congruencia con la información proporcionada por los fabricantes y lo reportado en la literatura. Un factor de arreglo atribuible a diferencias en la magnitud del flujo eólico incidente sobre los aerogeneradores con un valor de 0.95 por las condiciones favorables de la zona. Un factor de comportamiento atribuible a la naturaleza (i.e. lluvia, polvo, etc.) con un valor de 0.99 por ausencia de granizadas, heladas y nevadas en la región. Se consideró una vida útil de 25 años para la central eoloeléctrica. Los resultados de la simulación indicaron factores de planta entre 42 y 47.7%. Con una capacidad de MW para la central simulada, el potencial de generación de electricidad correspondía con el 77% de la generación eléctrica total (i.e GWh) de 1994 en las centrales eléctricas operadas por el instituciones del sector público en el Estado de Oaxaca y aproximadamente el 50% del total de la energía eléctrica vendida durante el mismo año en todo el Estado, incluyendo uso residencial, industrial, comercial, agrícola y alumbrado público. Se mencionó además que en al ámbito regional el potencial de generación de la 174

9 central de MW, superaría el consumo anual de 1994 (i.e. 435 GWh) de la zona de distribución Tehuantepec, misma que abarca toda la región del Istmo. En relación con los beneficios ambientales por mitigación de gases de efecto invernadero y de contaminantes atmosféricos, el análisis del proyecto realizado mostró que el potencial de ahorro de combustóleo sería cercano a 967,326 barriles por año y de ,150 barriles durante la vida útil de 25 años de llevarse a cabo el desarrollo de la central eoloeléctrica de MW. En cuanto al costo nivelado de la producción de energía, las cifras estimadas para la central eoloeléctrica sugirieron ser las más bajas, presentando ventaja económica sobre algunas de las tecnologías térmica convencionales. Además se encontró que dichas cifras podrían ubicarse en un nivel competitivo con los costos de generación hidroeléctrica y geotérmica. En el año 2000, no existía información anemométrica del recurso eólico de La Venta que estuviera disponible al público en general. En abril del 2000 el IIE instaló un anemómetro en las inmediaciones del poblado de La Venta. Desde entonces, este anemómetro se ha venido operando de manera continua. A petición del Gobierno del Estado de Oaxaca, la información adquirida en dicha estación anemométrica se colocó en el sitio Web de la Gerencia de Energías No Convencionales del IIE (D.A.L.V., 2003), donde puede ser consultada por un amplio número de usuarios nacionales e internacionales que incluye empresas públicas y privadas, investigadores y estudiantes. Desde el segundo semestre del año 2000 a la fecha, se han obtenido datos anemométricos medidos por la estación de monitoreo de La Venta. Esta estación se localiza en la central eoloeléctrica de La Venta (al norte del poblado del mismo nombre). Su ubicación es 16º Norte, 94º W (con referencia NAD 27). La medición de la velocidad del viento es realizada con anemómetros de copas aplicando el método de distancia recorrida. Los datos instantáneos se obtienen con una frecuencia de 0.5 Hz y se registra su valor promedio para intervalos de 10 minutos. Las mediciones se realizan a dos alturas diferentes, una es 32 m y la otra es 15 m, sobre el nivel del terreno (La altura de 32 metros obedeció a que el anemómetro se instaló en una torre de 42 metros cuyo nivel de 40 metros ya estaba ocupado). En la ilustración II-7 se muestra la velocidad media del viento para el periodo mayo de 2000 a junio de 2003, medida a 32 metros de altura sobre el nivel del suelo. Los datos se pueden consultar en la página de Internet de la Gerencia de Energías No Convencionales del IIE << 175

10 Ilustración II-7. Velocidad media del viento a 32 metros de altura sobre el nivel del terreno. Datos anemométricos tomados en la Central de La Venta. La ilustración II-8 corresponde con las velocidades máximas registradas a 32 m de altura. Como se puede observar, en la región se han alcanzado velocidades cercanas a 30 m/s que equivalen a velocidades del orden de 108 km/h. Ilustración II-9. Velocidad máxima del viento a 32 metros de altura sobre el nivel del terreno. Datos de la estación anemométrica de La Venta. 176

11 Se realizó un primer análisis de las características del viento en la localidad, utilizando los datos anemométricos del año En las ilustración II-10 se observa que la dirección dominante de del viento es la dirección Nornoroeste (NNE) con alrededor del 65 % durante todo el año. Para la dirección NNE se estimó la velocidad media en 14 m/s. De igual forma se observa que las velocidades menores que 8 m/s típicamente corresponden a otras direcciones o rumbos. Se debe mencionar que se consideró que las velocidades menores que 2 m/s corresponden con calmas debido a la sensibilidad y resolución de los anemómetros utilizados. De esta manera se calculó que el 10 % durante todo el año corresponde con periodos de calma. Ilustración II-10. Distribución de velocidades por rumbos para el año Datos de la estación anemométrica de La Venta a 32 metros de altura. Por otro lado, se observó que la distribución de la velocidad del viento es bimodal y, por consiguiente no es correcto aproximarla mediante la función unimodal de densidad de probabilidad de Weibull (f. d. p.). En la ilustración II-11 se grafica la frecuencia de las velocidades medias correspondientes al año Como se observa la f. d. p. de Weibull no reproduce el comportamiento de los datos anemométricos. Por tal razón se sugirió utilizar una f. d. p. bimodal compuesta por la suma de dos funciones de Weibull. Se observa en la ilustración II-11 que la función bimodal propuesta reproduce con mayor exactitud los datos anemométricos en lugar de utilizar la función de Weibull unimodal. 177

12 Ilustración II-11. Función de densidad de probabilidad para el año Datos de la estación anemométrica de La Venta a 32 metros de altura. El cálculo de la densidad de potencia de los datos para el 2001 se presenta en la ilustración II-12. Se puede observar que la mayor densidad de potencia ocurre en el trimestre diciembre a febrero. Se debe tener en mente que la densidad de potencia es directamente proporcional con la velocidad del viento como función cúbica. Ilustración II-12. Densidad de potencia a 32 metros de altura sobre el nivel del terreno. 178

13 De lo anterior, se puede corroborar que la información que generan las mediciones en superficie son más precisas y útiles que las que se obtienen por modelos de mesoescala. Es decir, las mediciones anemométricas en superficie son insustituibles para evaluar adecuadamente el recurso eólico con propósitos de aprovechamiento energético en proyectos de inversión. A pesar de ser el método más adecuado, las mediciones anemométricas no están libres de errores y desviaciones y deben realizarse atendiendo a las buenas prácticas reconocidas en el ámbito internacional. El Instituto de Investigaciones Eléctricas ha puesto a disposición pública información anemométrica (datos crudos y resultados de procesamiento) de mayo del 2000 a agosto de Sin lugar a duda, éste es un acervo de información importante que sirve para apoyar la formulación y evaluación de proyectos eoloeléctricos en el área de vientos más intensos del Corredor Eólico del Istmo de Tehuantepec. Esta información está siendo utilizada por diversos actores que incluyen desde estudiantes que realizan tesis en el tema de proyectos eoloeléctricos hasta compañías fabricantes de aerogeneradores que usan estos datos para adecuar sus diseños al intenso régimen de velocidades con su distribución especial. 179