Energía Eólica para la Minería en Chile

Transcripción

1 Energía Eólica para la Minería en Chile Rodrigo García Pizarro Director de ACERA (Asociación Chilena de Energías Renovables Alternativas) Director de LAWEA (Latin American Wind Energy Association) Gerente General MEGAWIND S.A. 1

2 Potencia en Turbinas Eólicas r Círculo de barrido del rotor La fuerza de frenado del viento que ejercen las palas, se convierte en un movimiento giratorio del rotor. Si (m) es la masa del aire y (u) su velocidad, la energía cinética del viento que llega al rotor es: E = ½ m u² Si (ρ) es la densidad del aire y (A) el área de barrido del rotor, la masa de aire que pasa cada unidad de tiempo por el rotor es: m = ρ A u De las expresiones anteriores se obtiene que la potencia disponible en el viento o potencia de entrada a la turbina eólica es: P = ½ ρ A u³ Si (Cp) es el coeficiente de potencia de la turbina, la potencia de salida es: P = ½ Cp ρ A u³ 2

3 Cálculo de la captura de energía Brisa suave Brisa fuerte Viento fuerte Tormenta Para estimar la captura de energía de una turbina, se requiere la distribución de probabilidad de velocidades del sitio y la curva de potencia de la turbina entregada por el fabricante. Se aprecia lo siguiente: Velocidad de corte de entrada = 4 [m/s], (la turbina comienza a generar). Velocidad de corte de salida = 25 [m/s], (la turbina deja de generar). Turbina tiene control de velocidad variable y de ángulo de paso de palas, para mantener constante la potencia nominal a distintas velocidades (entre 13 y 25 [m/s]). La velocidad de corte de entrada se define porque para velocidades menores, la energía eléctrica generada no equipararía las pérdidas por transmisión. Así, se escoge una velocidad algo mayor que la velocidad de potencia cero. La velocidad de corte de salida se define para proteger la turbina de las enormes solicitaciones de carga que inducen los vientos de alta velocidad. 3

4 Energía eólica capturada Si el régimen de viento en el sitio tiene una distribución de probabilidad p(u); y la curva de potencia de la turbina es P(U); con velocidad de corte de entrada UCE; y velocidad de corte de salida UCS; la energía capturada en un lapso T es: p(u), es una distribución de Weibull; y P(U) es una curva entregada como una tabla empírica y numérica por el fabricante. De modo que la curva producto no tiene expresión analítica y la integral debe ser resuelta por métodos numéricos. Así, la expresión para la energía a generar anualmente se transforma en una sumatoria de productos para cada intervalo de velocidad: E= H(u) P(u) en que H(u) representa las horas al año que el viento sopla dentro de cada intervalo de velocidad u. 4

5 Una forma de presentar los datos de un sitio y determinar la producción esperada de una turbina en ese sitio, consiste en definir intervalos de velocidad del viento, contabilizar las horas que el viento sopla a una velocidad contenida dentro de cada intervalo y dibujar un histograma con esa información. El gráfico muestra 25 intervalos, con un ancho a = 1 [m/s] cada uno. Mientras menor sea el ancho del intervalo, mayor será la precisión de la información y de los cálculos de producción esperada. Se recomienda un valor de a 0,1 [m/s]. La forma del gráfico indica que corresponde a una representación con datos discretos de la curva continua de Weibull; y en ese sitio la velocidad del viento media anual Ū es 8,5 [m/s]. 5

6 Con la curva de potencia de la turbina entregada por el fabricante, se construye otro histograma con la misma cantidad de intervalos que el histograma de distribución de velocidad del viento. En este caso el histograma fue construido e base a la curva de potencia anterior, por lo tanto presenta las mismas características anteriores: UCE = 4 [m/s], UCS = 25 [m/s] y Potencia Nominal = 1500 kw. 6

7 Se construye un histograma en que la barra de cada intervalo es el producto de los valores de las barras de los histogramas anteriores. Como para cada intervalo se multiplican las horas por la potencia, se obtiene la energía para cada intervalo. Si estas barras producto de cada intervalo se suman, se obtiene la energía total anual estimada. En este caso, la suma de todas las barras es [kwh/año], que representa la energía que generaría la turbina de 1500 kw en ese sitio que tiene la distribución de velocidades mostrada en el histograma tipo Weibull y una media Ū = 8,5 [m/s]. 7

8 Variación del Viento a Escala Anual Este gráfico es típico; y muestra para un período de 20 años una desviación estándar entre 9% y 10% de la energía del viento, lo que resulta bastante más estable que la energía hidráulica, que presenta años húmedos y secos. 8

9 Variación del Viento a Escala Mensual Este gráfico muestra para un período de un año una desviación estándar del orden de 25% de la energía del viento, que es lo normal como variación estacional. 9

10 Variación del Viento a Escala Horaria Este gráfico muestra la variación horaria del viento en un sitio del Norte Grande, donde se aprecia que solamente al mediodía y a medianoche, la generación eólica requeriría respaldo térmico; pero el ahorro de combustible en el período de 24 horas es enorme. 10

11 Solución a la variación diaria y horaria 1. Almacenamiento de energía generada a) Hidráulica bombeada b) Hidrógeno c) Aire comprimido En general estos sistemas son caros; y los (b) y (c) no están tecnológicamente maduros. Principalmente el almacenamiento de energía se usa para cubrir las variaciones de la demanda y no de la oferta. 2. Suministro híbrido a) Eólico Diesel b) Eólico Embalse c) En general: Eólico Red (Diesel, Carbón, Gas, Hidráulica) La generación eólica requiere respaldo sólo para las horas de poco viento. Su aporte consiste en ahorrar combustible durante las horas de suministro eólico. 11

12 Ventajas de la energía eólica para mineras en el SING 1. La huella de carbono. Este problema viene; y a futuro será una barrera a vencer para garantizar las exportaciones de cobre y otros minerales. En el norte de Chile, por tener sólo generación térmica, solucionar este problema no será sencillo. 2. La certificación de generación mediante ERNC. Dadas las imperfecciones de la ley ERNC ( ), es muy probable que a las empresas mineras, en la tarifa de energía, ya se les haya cargado el valor de la multa. Habrá que estudiar la mejor forma para que la generación eólica de la empresa minera pueda certificarse en el CDEC y evitar el cargo de la multa en la tarifa a pagar. 3. Estabilidad del precio de la energía. Por no depender del precio de los combustibles. 4. Seguridad de abastecimiento. Por tratarse de un recurso soberano. 5. Crecimiento modular de la capacidad de generación 12

13 Factor de Planta y Tarifa Se define como la relación entre la energía producida (E) por el aerogenerador durante un año y la que hubiera producido si durante todo el año hubiese generado en forma continua a potencia nominal (P n ). Es decir, El factor de planta depende fundamentalmente de la velocidad media anual del viento (ū) y de la distribución de velocidades en el sitio. Se puede estimar el factor de planta a partir de la siguiente fórmula aproximada, (ū) en [m/s] y sitios a no más de [m.s.n.m.] : FP ū [m/s] CALIFICACIÓN DEL SITIO TARIFA [US$/MWh] > 0,5 > 10,0 Extraordinario < 85 0,4 a 0,5 8,5 a 10,0 Excelente 100 a 85 0,3 a 0,4 7,2 a 8,5 Bueno a Muy bueno 125 a 100 0,25 a 0,30 6,5 a 7,2 Aceptable a Bueno 150 a 125 0,20 a 0,25 5,7 a 6,5 Dudoso 180 a 150 < 0,2 < 5,7 Insuficiente >

14 Energía eléctrica en el SING Generación 100% térmica Costo de generación creciente indexado al precio internacional de los combustibles. Dificultad para mejorar la huella de carbono, tema de gran relevancia en el futuro de las exportaciones. En Chile el recurso eólico del norte es inferior al del sur La velocidad del viento, en general, es mas bien moderada. Los sitios se ubican a bastante altura sobre el nivel mar, por lo que la densidad del aire es menor, con la consiguiente menor generación de energía eléctrica. Por las razones expuestas, los factores de planta en el SING en general serán del orden de 0,25 a 0,30. Con todo, hoy la energía eólica es la mejor alternativa de energía limpia y renovable para el SING. Esto será así mientras la solar y la geotermia no logren bajar sus costos. 14

15 Parques Eólicos y Pertenencias Mineras Los Parques Eólicos pueden instalarse perfectamente en terrenos donde existen pertenencias mineras y pueden incluso convivir con explotaciones mineras subterráneas. En efecto, los Parques Eólicos ocupan menos de un 2% de la superficie donde se despliegan, con las siguientes carácterísticas de compatibilidad: Los aerogeneradores se instalan separados a distancias del orden de 500 metros. Las fundaciones no tienen más de unos 3 metros de profundidad. Los caminos de acceso a los aerogeneradores pueden compartirse con los requeridos por la faena minera subterránea. Así, no se justifica para los desarrolladores eólicos, comprar o disputar las pertenencias mineras de terceros en el terreno. Lo que requiere es lograr un contrato con el propietario de la superficie. 15

16 Se requiere acceso fácil a sitios de propiedad fiscal En la actualidad el MBN no ha publicado un mapa de Chile donde se señale los terrenos de propiedad fiscal; y peor aún, demora más de seis meses en responder si un sitio es de propiedad fiscal o privada. El MBN de acuerdo al decreto ley 1939, de 1977, sobre Adquisición, Administración y Disposición de Bienes del Estado, las concesiones de terrenos fiscales pueden ser: De uso gratuito, para labores de investigación y personas jurídicas sin fines de lucro. De uso oneroso, para desarrollar labores comerciales. En el caso de los proyectos ERNC, la primera etapa es de investigación (medición del recurso); y si el recurso es suficiente, podrá desarrollarse la etapa de explotación comercial. Se ha llegado al extremo de intentar licitar los sitios cuando hay más de un interesado en explorar y medir el recurso. Es decir, licitar cuando aún no se sabe si hay recurso suficiente para un proyecto. En otros países donde realmente se interesan en desarrollar las energías renovables ocurre algo muy distinto. En Canadá, por ejemplo, en la provincia de British Columbia la política de arrendamiento de sitios fiscales a desarrolladores eólicos, se traduce en que no solamente la etapa de prospección y estudio es gratuita, sino también los 10 primeros años de operación comercial. A partir del año 11, se empieza a pagar un arriendo proporcional al factor de planta de la central eólica. 16

17 Suministro de Electricidad Eólica para Empresas Mineras en el SING Modelo de Negocios adecuado a) Licitación de tarifa por suministro mediante PPA o BOOT (estilo Codelco), durante 20 años. b) Licitación solicita la inyección de energía en alguna barra del SING, dejando al oferente la elección del sitio para instalar el parque eólico. Análisis de la licitación del Proyecto Eólico Gaby En este caso no se cumplió el punto (b) anterior y Codelco obligó la utilización de un sitio con muy bajo recurso eólico. Así, los proponentes calcularon que su oferta debería ser cercana a 300 US$/MWh; y decidieron no participar. Hubiera sido un desprestigio para la energía eólica presentarse a esos precios. 17

18 Precio en el SING y Tarifa de la Eólica en el Norte Si en el SING los factores de planta están comprendidos entre 0,25 y 0,30; las tarifas por generación eólica serían del orden de 125 a 150 US$/MWh, que no es alta si se observa el gráfico, teniendo además la ventaja que es fija para muchos años y no indexada al precio de los combustibles. 18

19 Muchas Gracias! Rodrigo García Pizarro Gerente General MEGAWIND S.A. 19