APLICACIONES DE LA ENERGÍA EÓLICA DE PEQUEÑA ESCALA EN COMUNIDADES RURALES DE MÉXICO
Contenido 1.
2.
INTRODUCCIÓN INTRODU CCIÓN ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... .................. 1 1.1.
Objetivos Objetivo s .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ..................... ... 1
1.2.
Resumen ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ..................... ... 1
ANTECEDENTES ANTECEDENT ES ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... .................. 1 2.1.
Energía eólica .................................... .................. ................................... .................................. ................................... ................................... .............................. ............. 1
2.2.
Aplicaciones Aplicacio nes de la energía eólica ................................... ................. ................................... .................................. ................................... .................... 1
2.3.
México ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 2
2.3.1. 2.3.1 . 2.4. 3.
4.
5.
Situación Situació n energética energéti ca y energías renovables renovabl es .................................. ................ .................................... .............................. ............ 2
Determinación Determ inación del sitio ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................. ............... 4
GENERACIÓN GENERACIÓ N DE ENERGÍA ELÉCTRICA ................................... ................. ................................... .................................. ................................... .................... 6 3.1.
Principios Principi os teóricos y dimensionamiento dimensiona miento ................................... .................. ................................... ................................... ........................ ....... 7
3.2.
Ejemplo .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 9
BOMBEO DE AGUA .................................... .................. ................................... .................................. ................................... ................................... ............................ ........... 11 4.1.
Principios Principi os teóricos y dimensionamiento dimensiona miento ................................... .................. ................................... ................................... ...................... ..... 11
4.2.
Ejemplo .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ...................... .... 12
DESALINIZACIÓN DESALI NIZACIÓN DE AGUA DE MAR ................................... ................. ................................... ................................... .................................... .................... 14 5.1.
Principios Principi os teóricos y dimensionamiento dimensiona miento ................................... .................. ................................... ................................... ...................... ..... 14
5.2.
Ejemplo .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ...................... .... 15
6.
CONCLUSIONES CONCLUSI ONES Y RESULTADOS RESULTAD OS ................................. ................ .................................. ................................... .................................... ............................ .......... 17
7.
REFERENCIAS REFEREN CIAS ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ...................... .... 17
8.
ANEXOS ................................... .................. ................................... ................................... .................................. ................................... .................................... ............................ .......... 18 8.1.
Hoja técnica molino de viento bombeo de agua .................................. ................ .................................... ............................ .......... 18
8.2.
Hoja técnica aerogenerador aerogener ador 3kW .................................. ................ ................................... .................................. .................................. ................. 19
8.3.
Hoja técnica lámparas iluminación iluminaci ón ................................... ................. ................................... .................................. ............................... .............. 20
8.4.
Hoja técnica planta desalinizadora por osmosis inversa .................. ........................... ................... ................... ............. .... 22
1. INTRODUCCIÓN 1.1.
Objetivos
Mostrar el procedimiento procedimiento de dimensionamiento dimensionamiento de sistemas eólicos eólicos de pequeña pequeña escala acoplados a distintos sistemas y diferentes aplicaciones. Presentar opciones atractivas para el suministro de energía eléctrica y agua potable en regiones de México donde el abastecimiento de estos servicios es escaso.
1.2.
Resumen
México es un país en vías de desarrollo que cuenta con una gran variedad de recursos recursos energéticos, la energía eólica es una de las fuentes de energía renovable más atractivas para su explotación en el país. Considerando el hecho de que aún existen zonas rurales las cuales el suministro de energía eléctrica y agua potable es escaso, se plantea el desarrollo de este documento donde se mostrarán algunas aplicaciones de la energía eólica que ayuden al satisfacer las necesidades de estas poblaciones. Las aplicaciones son las siguientes: generación de energía eléctrica, bombeo de agua y desalinización de agua de mar. Se determinará un sitio en concreto en el país y se realizará el dimensionamiento de un sistema eólico a partir de las necesidades de la aplicación.
2. ANTECEDENTES 2.1.
Energía eólica
La energía eólica o de los vientos se origina debido a la radiación solar. Se puede decir que este tipo de energía es una transformación de la energía solar que produce una diferencia en la densidad del aire en la atmosfera terrestre, lo que genera el movimiento de las masas de aire con distintas densidades y temperaturas. El aprovechamiento de esta energía se realiza con distintos dispositivos (máquinas eólicas) y sistemas, a partir de las necesidades que se tenga, estas máquinas son capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable. La producción de energía eléctrica se realiza a través de aerogeneradores los cuales la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador el cual produce la energía eléctrica que es distribuida después de su transformación y de adecuarla a las condiciones nominales del sitio. La energía eólica es una de las llamadas energías renovables con mayor desarrollo tecnológico. Se estima que aproximadamente 1.29*109 MW se podrían producir a partir de la energía eólica a nivel mundial. Esta cantidad representa más de 20 veces las necesidades de consumo de todo el mundo. El costo por kWh en energía eólica es menor al costo del kWh generado a partir de energía solar, esto hace que la energía eólica juegue un papel principal en el suministro energético en este siglo.
2.2. Aplicaciones de la energía eólica Desde los inicios de la historia de la humanidad, el hombre ha buscado la manera de aprovechar la energía del viento. Las primeras aplicaciones surgieron en el transporte, con la navegación por medio de los barcos veleros. Posteriormente en tierra comenzaron a surgir los molinos de viento
para la molienda de granos o para el bombeo de agua. Una aplicación más moderna de la energía eólica son los aerogeneradores que generan electricidad. Estos aerogeneradores comenzaron a surgir en 1888 cuando Charles Brush diseña y construye el primer aerogenerador, a partir de entonces los aerogeneradores han sido modificados no solo en forma y tamaño sino que también en aspectos más complejos del diseño como la forma y numero de las palas, tamaño y forma de la estructura, etc. La industria de la energía eólica en tiempos modernos comenzó en 1979 con la producción en serie de turbinas de viento por los fabricantes Kuriant, Vestas, Nordtank, y Bonus. Aquellas turbinas eran pequeñas para los estándares actuales, con capacidades de 20 a 30 kW cada una. Desde entonces, la talla de las turbinas ha crecido enormemente, y la producción se ha expandido a muchos países Hoy en día existen dos grandes clasificaciones para las aplicaciones de la energía eólica: Energía eólica a pequeña escala, energía eólica a grandes escalas, esta última la podemos dividir a su vez en eólica en tierra (on-shore) y eólica eólica en mar (off-shore). También se tiene la energía eólica eólica a pequeña escala que, generalmente, se combina con otro tipo de tecnologías para producir un sistema hibrido y así conseguir una producción de energía m ás uniforme a lo largo del tiempo. Este tipo de sistemas se instalan principalmente en viviendas, sitios aislados y en industria para alimentar equipos determinados o zonas específicas como el alumbrado.
Ilustración 1: Aprovechamiento de la energía eólica
2.3.
México
2.3.1. Situación energética y energías renovables La ubicación geográfica y orográfica de México permite disponer de un significativo potencial de generación eléctrica con energía renovable. Las Energías Renovables (ER) representan una respuesta importante a la demanda generalizada de un modelo sustentable de progreso que no afecte a las generaciones futuras. En México, las energías renovables más desarrolladas son la hidroelectricidad y la geotermia, que en conjunto representaron 25.4% de la capacidad total del Sistema Eléctrico Nacional en 2002, y aportan 15.1% de la generación nacional. México ha impulsado de manera importante el uso de fuentes renovables de energía, principalmente en lo que se refiere a las grandes hidroeléctricas que al día de hoy constituyen cerca del 23% de la capacidad instalada del país. Aunado a esto, México ocupa el tercer lugar a nivel mundial en cuanto a capacidad instalada de geotermia (843 MW).
El Gobierno mexicano está impulsando un conjunto de políticas de promoción para el uso sustentable de la energía en general, y de las energías renovables en particular. Si a ello se suma la abundancia de recursos renovables y alternos con los que cuenta el país .en materia de agua, sol, viento y biomasa relativamente poco aprovechados, se concluye que México se encuentra actualmente al inicio de una ola de desarrollo de proyectos de energía renovable que pueden ser exitosos si se garantizan las condiciones de mercado favorables, así como un marco legal y regulatorio adecuados.
Gráfica 1: Capacidad Instalada por fuentes de ER en México hasta agosto del 2010
En cuanto a la instalación de energía eólica en México se ha incrementado a partir del 2007, llegando en 2009 a un total de 203MW instalados México tiene extensas zonas con excelentes recursos eólicos. El siguiente mapa muestra los en los que se ha estimado que existe potencial eólico.
Ilustración 2: Mapa de México y los estados donde se han realizado proyectos eólicos
De estos lugares, el que presenta de momento mayor potencial eólico es el Estado de Oaxaca, en concreto la zona del Istmo de Tehuantepec. En el 2003 se confeccionó un Atlas de Recursos Eólicos para esta zona y resultó que la potencia instalable al sur del Istmo es de 15.000 MW, siendo 6.000 MW rentables de acuerdo al actual marco regulatorio federal y 9.000 MW viables en el largo plazo. De esta manera se demostró que Oaxaca posee uno de los mejores recursos eólicos del mundo. El Istmo de Tehuantepec que cuenta con una media de velocidad del viento de 10 m/s
posee amplias zonas donde el potencial del recurso es excelente. Baja California, es la segunda mejor región ya que a parte de su potencial eólico, tiene una gran extensión geográfica y baja densidad de población. Su potencial varía entre unos 1000 MW a 3000 MW. En concreto, en la Península de Yucatán: el Cabo Catoche, la costa de Quintana Roo y el Oriente de Cozumel son zonas con un potencial eólico interesante, particularmente para contribuir a los requerimientos de generación de energía eléctrica para la propia península. En el altiplano norte y la región central también poseen zonas con importante potencial. Gracias a los mecanismos propuestos en el Protocolo de Kioto para disminuir las emisiones de CO 2 se ha logrado mejoras la rentabilidad de los proyectos en los países en desarrollo, lo que favorece que los inversores apuesten por este tipo de proyectos. Aunque esta mejora de la rentabilidad siempre depende del precio de venta de la tonelada de CO2. El desarrollo eólico mundial se ha visto favorecido por por estos mecanismos. mecanismos. México ocupa el tercer puesto en número proyectos registrados con 1272 MW de capacidad eólica planificada. Muchos de los proyectos que se están desarrollando en la actualidad en México están validados como MDL o bien en proceso de registrarse. A pesar de todo ello, México enfrenta una serie de problemas que limitan el desarrollo de la energía eólica como la carencia de una red de transmisión adecuada para la evacuación de la energía eléctrica desde los puntos de generación hasta los puntos de consumo o la localización y uso del suelo, pues la mayoría de recursos eólicos se encuentran en tierras regidas por comunidades agrarias, lo cual dificulta el proceso de negociación y venta.
2.4.
Determinación del sitio
Uno de los aspectos fundamentales para el dimensionamiento e instalación de sistemas de cualquier tipo de energía renovable es el conocer perfectamente las condiciones ambientales, geográficas, sociales y de infraestructura del sitio donde se desea realizar el proyecto. La falta de energía en comunidades rurales aisladas constituye una situación crítica, ya que suele estar asociada con la ausencia de telecomunicaciones, educación, servicios de salud, y frecuentemente, agua potable. Si bien México cuenta con un nivel relativamente alto de cobertura (alrededor del 95%, según cifras oficiales), este porcentaje es significativamente menor en los estados del sur del país, quienes cuentan con menor infraestructura, inferior calidad en los servicios y donde más del 10% de las viviendas carece de energía eléctrica. Enfocándose en la aplicación a pequeña escala de la energía eólica y a su vez en las posibilidades de su aprovechamiento en sitios aislados se plantean las siguientes aplicaciones de las cuales se obtendrá un beneficio importante para el sitio. Para el desarrollo de este documento se tomara como punto de partida la zona de la península de Yucatán, esta elección tiene como sustento los siguientes puntos: -
-
Es una de las zonas que presenta mejores oportunidades en cuanto al desarrollo de proyectos en energía eólica. Cuenta con un potencial muy elevado en cuanto a energía solar y energía eólica. En esta zona se localizan diversas poblaciones donde la mayoría de la gente es de escasos recursos. El hecho de poner a su disposición y alcance servicios como agua potable y electricidad a muy bajo costo es de gran interés para estas poblaciones.
-
-
El área seleccionada presenta un crecimiento en el sector turístico y el área de este sector conocida como turismo ecológico. Estos representan oportunidades importantes para la implementación y crecimiento del aprovechamiento de la energía eólica en el país ya que no solo es interesante para el desarrollador del proyecto eólico y de producción sino también del sector turístico ya que puede ser una forma de promocionarse ellos mismos. Existen áreas que, debido a la localización geográfica carecen de la infraestructura adecuada para satisfacer las necesidades básicas y suministrar los servicios en los que se enfocará el documento: luz eléctrica y agua potable.
Se tomará como referencia las mediciones y estadísticas en sitio de las torres de medición de Telchac en el estado de Yucatán y cercanas (5 en total).
Tabla 1: Localización del área de estudio (cercanías de la ciudad de Mérida, Yucatán)
En esta zona, a partir de estudios realizados por institutos y universidades de México se tiene una rosa de vientos a 20 metros de altura como la siguiente, esta rosa de vientos nos indica la dirección del viento, de igual manera se presenta una tabla que recopila los datos de velocidades del viento tomadas por las estaciones de medición, se presenta también la frecuencia de las velocidades y promedios por mes.
Ilustración 3: Rosa de vientos del sitio
Los datos estadísticos de estas estaciones indican que existe un viento clasificado como brisa moderada y a partir de los estudios del NREL (National Renewable Energy Laboratory) se considera un viento con un potencial bueno en zonas rurales que son parte del enfoque del trabajo. A partir de estos datos se realizarán los cálculos necesarios para el dimensionamiento de los sistemas que se propondrán más adelante.
Mes
Velocidad media (m/s)
Ene
8.08
Feb
8.25
Mar
9.09
Abr
8.29
May
7.31
Jun
7.08
Jul
6.35
Ago
6.25
Sept
8.08
Oct
7.47
Nov
7.33
Dic
7.73
Velocidad del viento (m/s)
Frecuencia
Horas al año
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 total
0.00 0.00 0.00 0.19 0.18 0.14 0.10 0.06 0.30 0.02 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1
0.00 0.00 0.00 1654.76 1567.16 1260.56 881.26 543.12 2628.00 145.42 43.80 24.53 8.76 2.63 0.09 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 8760
Tabla 2: Condiciones promedio del sitio
3. GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Los sistemas de energías renovables aislados son una de las principales aplicaciones de estas tecnologías, en los últimos años el crecimiento de este tipo de sistemas ha aumentado considerablemente ya que comienzan a surgir sistemas que utilizan más de un tipo de energía
para generar la energía (sistemas híbridos). Es primordial para este tipo de sistemas tener en cuenta las necesidades energéticas que se van a cubrir y dimensionar los equipos del sistema correctamente con el objetivo de suministrar la energía que se requiere.
3.1.
Principios teóricos y dimensionamiento
En muchos casos, hay viviendas o explotaciones agrícolas que se encuentran alejadas de la red eléctrica, y la compañía les pide varios miles de euros para alargar la red hasta su cercanía. La forma que tienen sus dueños de solucionar este problema es utilizar generadores de gasóleo, que es un combustible fósil caro y sucio. Pero las renovables ofrecen soluciones mucho más adecuadas al nuevo modelo energético. Podemos utilizar una instalación eólica para generar electricidad en zonas rurales. Ahora bien, es conveniente consultar mapas eólicos publicados por institutos y centros meteorológicos del sitio para poder determinar si la velocidad y cantidad de viento existente en la zona hace la instalación. Un sistema debe en general poseer las partes siguientes: 1. La turbina eólica o aerogenerador - que está compuesto por todos los elementos que se encuentran en la parte superior de la torre. 2. Rectificador de corriente alterna en corriente directa - Esto es necesario en caso de que el generador eléctrico suministre corriente alterna y el rectificador no esté incorporado en la turbina eólica. 3. El cuadro de control o sistema de control - constituye un punto de conexión central entre la turbina, las baterías y las cargas. 4. Un interruptor con un fusible eléctrico de seguridad – Su función es desconectar la turbina en casos de viento extremo, así como el control de la carga de baterías. Este puede estar incorporado en el sistema de control. 5. El banco de baterías – su función es proporcionar la energía suficiente para satisfacer la demanda en un cierto número de días de calma. 6. El inversor que convierte la corriente directa en alterna. 7. La torre soportante
Ilustración 4: Diagrama sistema eólico aislado
Conociendo la velocidad del viento en el sitio y aerogenerador que se instalará se puede conocer la potencia que genera este en el sitio y una vez conociendo las necesidades energéticas del sitio o
aplicación se puede determinar el número de aerogeneradores necesarios así como el número de baterías del sistema de acumulación de energía con el fin de satisfacer las necesidades de energía bajo cualquier situación considerando el factor de autonomía. Esto se realiza calculando la energía generada anual a partir de la gráfica de producción del aerogenerador, la velocidad del viento, la frecuencia y las horas de viento al año.
∑
Dónde: E = energía producida V i = velocidad determinada P vi = potencia generada a la velocidad “i” h vi = horas al año que se tiene la velocidad “i”
Es importante considerar además de los factores anteriores un factor de autonomía ya que estamos hablando de un sistema aislado de la red, por lo que cualquier tipo de perturbación o irregularidad podría significar que no se suministre la energía eléctrica necesaria. Por lo tanto, conociendo las necesidades energéticas del sitio, la tensión de alimentación, la autonomía deseada y determinando una profundidad de descarga al sistema de baterías se determinara la capacidad de las baterías que necesita el sistema para asegurar su funcionamiento durante el tiempo de autonomía marcado a partir de la siguiente ecuación: (1) Dónde: Cb = la capacidad necesaria de la batería para satisfacer las condiciones D ener = la demanda energética diaria diaria F = el factor de autonomía para el sistema U = la tensión nominal de alimentación Pd = la profundidad de descarga
El regulador y el inversor se seleccionan a partir de las la s características de la energía de entrada y de salida. Para el caso del regulador, este se encargará del control de carga y descarga de la o las baterías por lo que el regulador se selecciona a partir de las características de salida del aerogenerador (tensión y corriente) y las características de la batería (tensión de carga). El inversor modificará la energía que proviene del conjunto de baterías o del aerogenerador directamente y la transforma la corriente (corriente alterna, ya que los dispositivos de las aplicaciones mencionadas en este dispositivo funcionan con este tipo de corriente) para la alimentación de los equipos determinados. Un método alternativo para estimar el funcionamiento de un sistema eólico determinado es a partir de la curva de potencia de la manufactura. Este método se basa en el cálculo de la energía típica generada en función de diferentes condiciones de viento. El resultado es una curva de potencia del aerogenerador determinado la cual indica la potencia eléctrica disponible a cierta velocidad del viento.
3.2.
Ejemplo
Aplicando los cálculos anteriores y con el fin de mostrar la metodología de dimensionamiento de un sistema eólico de pequeña escala para la generación de energía eléctrica se plantea la siguiente situación: Se desea iluminar un conjunto de kioscos localizados en lo que será un parque recreativo en las cercanías del pueblo de Techcac. Se sabe que el parque contará con 8 kioscos las cuales cada una cuenta con 6 lámparas para su iluminación. A su vez, se iluminará el callejón callejón principal con 4 faros. Parte del objetivo del parque es ser autosustentable por lo que se determinó que la iluminación de estos kioscos seria a partir de energía renovable, por lo que se desea conocer cual serían los equipos a instalar en el caso de que se eligiera energía eólica para la alimentación de este parque. Las lámparas que se instalarán son de bajo consumo, la potencia que requieren es de 35W a 220Vca. En cuanto a los faros, se eligieron lámparas de 100W. Como primer punto se realiza el cálculo para conocer la potencia y el consumo energético del sitio. Conociendo que se tienen 2 lámparas para la iluminación de una parcela y en total el parque tiene 8 parcelas, por lo tanto:
La potencia necesaria para alimentar los faros que iluminan el callejón es la siguiente:
La potencia total requerida es la suma de ambas potencias (la de las parcelas y del callejón):
El consumo energético se calcula conociendo la potencia total requerida y las horas de uso. En este caso se considera que las lámparas de las parcelas estarán encendidas durante 10 horas al día, mientras que los faros permanecerán encendidos encendidos 12 horas al día, por lo tanto:
SITIO
CANTIDAD
CONCEPTO
CANTIDAD
POTENCIA (W)
POTENCIA DEL SITIO (W)
HORAS DE USO (h)
CONSUMO ENERGÉTICO (kWh)
kiosco
8
lámparas
6
35
1680
10
16.8
callejón principal
1
faros
4
100
400
12
4.8
TOTAL
2080
TOTAL
21.6
TOTAL AL AÑO
7884
Ilustración 5: Cálculo del consumo de energía anual
Conociendo el consumo energético al año se procede a estimar la energía generada al año por un aerogenerador, se selecciona un aerogenerador Nohana de 5kW a una velocidad de viento de 10m/s. Es un aerogenerador sobredimensionado ya que el sitio seleccionado no se registra una velocidad de viento promedio igual a la velocidad nominal del aerogenerador, sin embargo en las condiciones promedio marcadas en anteriormente se producirá la energía suficiente para el sistema.
Velocidad del viento (m/s)
total
Frecuencia
Horas al año
0
0.00
0.00
1
0.00
0.00
2
0.00
0.00
3
0.19
1654.76
4
0.18
1567.16
5
0.14
1260.56
6
0.10
881.26
7
0.06
543.12
8
0.30
2628.00
9
0.02
145.42
10
0.01
43.80
11
0.00
24.53
12
0.00
8.76
13
0.00
2.63
14
0.00
0.09
15
0.00
0.00
16
0.00
0.00
17
0.00
0.00
18
0.00
0.00
19
0.00
0.00
20
0.00
0.00
21
0.00
0.00
22
0.00
0.00
23
0.00
0.00
24
0.00
0.00
1
8760
Potencia producida por el aerogenerador (W)
0 0 0 350 500 750 1200 1400 2600 3200 5000 5600 5100 4900 5000 3000 4000 4600 0 0 0 0 0 0 0
Energía producida (kWh)
0.0 0.0 0.0 579.2 783.6 945.4 1057.5 760.4 6832.8 465.3 219.0 137.4 44.7 12.9 0.4 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 11838.5
Ilustración 6: Estimación de la energía generada por el aerogenerador con las condiciones en el sitio
Ahora, considerando que el inversor seleccionado tiene una eficiencia del 90% y las baterías una eficiencia del 75% por lo tanto la generación de energía anual en realidad es de:
Se procede a dimensionar el sistema de acumulación a partir de la ecuación mencionada anteriormente (1) y sustituyendo las variables con los valores calculados y propuestos de tensión de alimentación, potencia necesaria, autonomía y consumo energético:
Por lo que, a partir de las especificaciones de la batería seleccionada se obtiene la cantidad de vasos en paralelo y en serie necesarios. Considerando Considerando baterías de 120V y A la instalación se deben incorporar también t ambién el regulador e inversor adecuados para suministrar la energía en la calidad (tensión, frecuencia, tipo de corriente) adecuada para los equipos.
Ilustración 7: Configuración sistema energía eólica aislado para el parque
4. BOMBEO DE AGUA El bombeo mediante el sistema eólico, al igual que el sistema fotovoltaico, es la forma más sencilla y económica para hacer llegar el agua a las regiones agrarias aisladas de la red eléctrica, empleando la tecnología más apropiada para el desarrollo de la agricultura. Utilizando la energía eólica podemos bombear agua de un pozo o salvar el desnivel desde un río, y usarla para regar una huerta o cambiar el tipo de cultivo de una parcela agraria, de secano a regadío. De la misma forma podemos utilizar un equipo de bombeo eólico para conseguir agua potable, siendo la solución más adecuada en aquellas viviendas rurales aisladas de la red que están situadas en lugares donde climatología es adversa, pero con vientos constantes.
4.1.
Principios teóricos y dimensionamiento
Actualmente el aprovechamiento de la fuerza del viento para el bombeo de agua se realiza por medio de dos tipos distintos de molinos m olinos de eje horizontal: - El clásico sistema eólico lento de múltiples palas, de 12 a 24, que le permite comenzar a funcionar con unas velocidades de viento de 2 a 3 m/s. El bombeo se realiza de forma mecánica, por lo que tienen que ser instalados sobre el pozo para poder bombear bom bear el agua. - El eólico rápido es el clásico molino para producir electricidad, normalmente de tres palas, y que genera la corriente eléctrica necesaria para poder alimentar el sistema de bombeo
de agua. Generalmente se coloca en los puntos más elevados para aprovechar la máxima fuerza del viento que se transformará en electricidad y que llevaremos a donde se encuentre el pozo. El bombeo mecánico consiste en un aerogenerador que esta acoplado a una bomba de pistón. Estos molinos fueron diseñados desde un principio para su funcionamiento con vientos ligeros gracias a un rotor de alto par. La ventaja es su simplicidad en funcionamiento, instalación y costo. Tienen como desventaja que, debido a estar acoplados a la bomba, los aerogeneradores deben ser instalados justo por encima del pozo y que, en comparación con los sistemas de bombeo eólicoeléctrico (energizando una bomba a través de energía eólica) solo se bombea la mitad del volumen en un tiempo determinado. Los aerogeneradores producen energía eléctrica a una tensión de 12 o 24 voltios en corriente continua. Esta electricidad es consumida por una bomba, también en corriente continua, que bombea el agua desde el fondo del pozo a un depósito con una cierta altura. La energía almacena el agua para su posterior distribución. Tipos de bombas: • Bomba de superficie o auto aspirante: Ideal para uso doméstico o riego por goteo, con larga vida de uso y muy bajo consumo. • Bomba sumergible: Ideal para pozos profundos ya que consigue gran presión de elevación, de hasta 120 m de altura, con un elevado rendimiento.
Ilustración 8: Bombeo eólico-mecánico
4.2.
Ejemplo
Se tiene en consideración la siguiente situación para desarrollar un ejemplo de bombeo eólico: Se desea bombear agua de un pozo con el fin de obtener agua para el riego de hortalizas, animales de granja y uso humano. La localización del pozo y del área donde se utilizará el agua no cuenta
con instalación eléctrica por lo que es necesaria la aplicación de sistemas de energías renovables para el bombeo de agua. Se considera la posibilidad de instalar un molino para bombear el agua directamente para que se suministre el líquido. El dimensionamiento de este caso es el más sencillo ya que principalmente se basa en el volumen de agua que se requiere diariamente y el nivel de autonomía que se desea, de esta manera se construye un depósito de agua que pueda almacenar esta cantidad de agua y se seleccionará un molino que, a partir de las condiciones del viento del sitio pueda suministrar el volumen mínimo al depósito a lo largo del día. Primer paso para dimensionar un sistema de bombeo eólico-mecánico, se necesita conocer las necesidades de agua para el sitio. Para esto se toman valores promedio de tablas. Se sabe que el sitio es trabajado por 5 personas. Se tienen 700m2 de cultivo, en cuanto a ganado cuentan con 10 vacas, 6 caballos, 100 ovejas, 100 gallinas y 50 pavos. Conociendo estos datos y observando las tablas que indican el volumen de agua necesario para cada uno de los elementos presentes en el sitio se determina el volumen total diario necesario para el sitio.
RAZÓN
VOLUMEN REQUERIDO POR UNIDAD (l/día)
CANTIDAD
VOLUMEN TOTAL POR ELEMENTO (l/día)
Persona Caballo Vaca Oveja Gallina Pavo
50 60 120 10 0.25 0.9
5 6 5 25 100 50
250 360 600 250 25 45
Tierra de cultivo
10
100
1000
Otros usos
30
N/A TOTAL
30 2560
Tabla 3: Cálculo volumen total requerido
Conociendo que se requieren casi 3000 litros al día para satisfacer las necesidades del sitio se procede a seleccionar el molino de viento que bombeará esta cantidad de agua y al dimensionamiento del contenedor. Se toma como base que el sitio presenta un viento promedio de 5m/s a 10 metros de altura, altura, por lo que a partir de este dato y de las necesidades diarias de agua se selecciona el molino que cumpla con estos requisitos. El molino seleccionado es un molino sencillo que presenta las siguientes características (anexo 2, hoja técnica del molino): Rotor – de eje horizontal a barlovento con un diámetro exterior de 4 metros, cuenta con 32 aspas de paso fijo en acero galvanizado. Transmisión – mecanismo biela-manivela acoplado directamente al rotor
Sistema de bombeo – Bomba reciprocante de simple efecto, con camisa en acero de 2.5 pulgadas de diámetro, la succión y descarga se realiza a través de una tubería de 2 pulgadas de diámetro Torre – Estructura piramidal autoportante en acero A-36, recubrimiento anticorrosivo y pintura de aluminio extra reflectivo la altura de la torre es de 12 metros, el anclaje se realiza con patas con cruceta fundidas en concreto. Peso de 410 kg. Considerando que la profundidad del pozo es de 20 metros, metros, el molino estará bombeando en promedio 3150 litros al día. día. Con este molino aseguramos que, se suministrará el volumen diario necesario de agua para las necesidades del sitio. En cuanto al contenedor de agua, se considera que en la zona se pueden tener hasta 4 días donde el viento no presente la velocidad adecuada, se dimensiona el contenedor de agua considerando una autonomía de hasta 5 días. Por lo que el contenedor debe tener, al menos, un volumen de:
Realizando la búsqueda de un contenedor de agua con un volumen similar al obtenido en los cálculos se localiza un depósito de 15000 litros para uso alimentario fabricado en poliéster resistente a las condiciones de la intemperie. Las dimensiones del depósito son las siguientes: diámetro 2.8 metros; altura de 2.45 metros.
5. DESALINIZACIÓN DE AGUA DE MAR Continuando con las aplicaciones de sistemas aislados podemos considerar una gran oportunidad de desarrollo de estos sistemas acoplándolos a sistemas de desalinización. Algunas tecnologías de desalinización de agua consumen grandes cantidades de energía ya sea para el bombeo del agua como para el proceso de desalinización propio, como es el caso de la osmosis inversa y la electrodiálisis.
5.1.
Principios teóricos y dimensionamiento
Para llevar a cabo el proceso de separación de sales por ósmosis inversa es necesario ejercer una presión al fluido de trabajo, dicha presión deberá ser mayor a la presión osmótica de la sustancia y a las caídas de presión que se tengan en el arreglo de membranas. La presión osmótica de una sustancia está relacionada con la concentración de sales en la sustancia, mientras se tenga una mayor concentración en sales, mayor será la presión osmótica y en consecuencia mayor la presión a aplicar, caso contrario, si la concentración es menor, menor será la presión osmótica y menor la presión de alimentación. La presión de alimentación es uno de los parámetros más importantes en la desalación por ósmosis inversa, pero también se tiene a la membrana la cual es considerada el elemento principal para llevar a cabo el proceso de desalación desalación por ósmosis inversa.
Las plantas desalinizadoras por osmosis inversa requieren de la aplicación de presión al agua para que se genere la desalinización del agua, es por eso que el sistema de bombeo es fundamental para este tipo de equipos. Las características del lugar, así como las características del sistema deseado determinaran el tipo de bombeo y la capacidad del mismo. Se requiere considerar el bombeo para alimentar el sistema, de igual manera se debe considerar si el bombeo de alimentación es suficiente para que el recurso recorra por completo el sistema hasta el arreglo de membranas, en este punto es necesario aumentar la presión para la desalación del agua. Esta bomba depende en gran parte de las condiciones de trabajo, calidad y capacidad de la planta desalinizadora. La presión osmótica representa la presión necesaria para que el disolvente de una solución fluya a través de una membrana semipermeable y depende de la concentración de sales en la solución. Se puede calcular la presión osmótica por medio de la ecuación de Van`t Hoff:
Dónde: C= concentración molar de la solución. R= Constante del gas ideal T= temperatura en grados Kelvin. Es un método muy riguroso, con muchos cálculos pero ideal para utilizar equipos de cómputo. Para su desarrollo se deben conocer las condiciones de operación del sistema y de los elementos que lo conforman, incluyendo la presión de alimentación. El dimensionamiento de un sistema eólico para alimentar a una planta desalinizadora será similar al sistema de bombeo ya que su función será la misma, bombear agua a través de los elementos de la planta desalinizadora.
5.2.
Ejemplo
Se desea instalar una pequeña planta desalinizadora que complemente el suministro de este vital líquido a una estación de trabajo en un área en construcción cerca de Puerto Progreso, Yucatán. Se tiene una planta desalinizadora con las siguientes características la cual, por motivos de infraestructura en el sitio no existe la posibilidad de suministrar la energía eléctrica por la red nacional; Se decide proponer la incorporación de un aerogenerador para la alimentación de la energía eléctrica necesaria. Se desea trabajar con la planta desalinizadora el tiempo suficiente para producir un volumen mínimo de 1375 litros suficientes para satisfacer las necesidades de 25 trabajadores que se encuentran en el área. Sabemos que la concentración de sales del agua disponible en el sitio es de 33000ppm o lo que es lo mismo 33386 mg/l de agua. A partir de este dato se calcula la presión osmótica y la presión neta aplicada en la planta desalinizadora, con el objetivo de obtener los datos para dimensionar una bomba hidráulica adecuada a esta situación. La planta desalinizadora que se desea instalar cuenta con las siguientes características: Marca: Matrix Utilities; Modelo: Silver A 1000. La planta desalinizadora cuenta con filtro multimedia, tres porta cartuchos para filtros cartucho, las bombas de alimentación y de alta
presión e instrumentos de medición como manómetros y fluxómetros. La planta tiene una capacidad de 1000 gpd (galones por día) o sea 3785.4 lpd (litros por día) Se conoce la concentración (calculada en mg/l) y la temperatura (mediciones en ºC) del agua a partir del análisis del agua, se utilizará la constante de gases ideales (0.082 l*bar/mol*K), para poder realizar el cálculo se debe homogeneizar las unidades, por lo que se utiliza el peso atómico de cada uno de los elementos para conocer la concentración en gramos por gramo mol (g/gmol) y se realiza la conversión de la temperatura t emperatura medida en grados Celsius a Kelvin (1 K= 1 ºC+273.15). Por ejemplo, el agua considerada para la operación contiene 10770 mg/l de sodio, se conoce que el peso atómico del sodio es de 22.98 g/gmol, por lo tanto, la concentración en mol/l es de:
Por lo tanto, al sumar todas las concentraciones de los elementos obtenemos que la concentración es de 33386 mg/l que equivale a 1.125 mol/l. El cálculo de la presión osmótica se demuestra a continuación:
()
Una vez conociendo estos valores, como se mencionó, se selecciona la bomba adecuada y con los datos de la bomba se dimensionará el o los aerogeneradores necesarios así como el sistema de baterías. La bomba seleccionada es una bomba de 3 hp, corriente trifásica, se alimenta con 240 V. La bomba seleccionada tiene una capacidad por encima de la necesaria de esta manera se asegura que las pérdidas por tuberías no generan problema y es la razón de la omisión del cálculo de las mismas. Se realiza el cálculo de la potencia requerida y el consumo energético del equipo en el tiempo determinado: CONCEPTO
CANTIDAD
POTENCIA (hp)
POTENCIA (W)
HORAS DE USO (h)
CONSUMO ENERGÉTICO (kWh)
bomba hidráulica
1
3
2237.1
9
20.13
TOTAL AL AÑO
7348.8
Si utilizamos el mismo modelo de aerogenerador que se utilizó anteriormente se satisface las necesidades energéticas planteadas. Calculamos a partir del consumo energético la capacidad mínima del sistema de baterías:
A partir de las características de las baterías seleccionadas se determina la configuración en paralelo y en serie para satisfacer las necesidades de autonomía marcadas en el ejercicio.
6. CONCLUSIONES Y RESULTADOS El rango de aplicación de la energía eólica, al igual que el resto de las energías renovables es amplio y no solo se limita a las grandes escalas, por el contrario se pueden encontrar aplicaciones mucho que ofrezcan mucho mejores resultados a mediana y pequeña escala. El bombeo de agua por medio de la energía eólica no es una aplicación resiente, sin embargo, debido a que las crecientes necesidades necesidades de agua y la situación energética y ambiental actual, actual, este tipo de tecnología representa una solución atractiva en zonas rurales y donde el recurso es escaso. Los sistemas eólicos aislados no son comunes debido a la gran variación que existe en la velocidad del viento y del corto tiempo en el que ocurren estas variaciones, es por esto que se recurre a la incorporación de algún otro tipo de tecnología al sistema, puede ser desde un sistema fotovoltaico hasta motores y generadores alimentados con biodiesel o algún otro combustible. Si se desea mejorar la autonomía de los casos ejemplificados se presentan las siguientes propuestas: - Para el caso del sistema de iluminación se podría incorporar un sistema fotovoltaico donde los paneles fotovoltaicos se localicen en la parte superior de las parcelas, de esta manera no reduciría el espacio del parque aprovechando al máximo el espacio. - En cuanto al bombeo del agua, se considera que se satisface las necesidades sin problema con el molino de viento, sin embargo si se desea utilizar un aerogenerador que alimente una bomba hidráulica, se recomendaría incorporar un motor para complementar el sistema y asegurar el suministro de energía a la bomba en todo momento. - Para el caso de desalinización existen tres posibilidades, la incorporación del sistema fotovoltaico, la incorporación del motor biodiesel y de ser posible interconectar con la red el sistema de alimentación. Con cualquiera de las posibilidades se aseguraría el suministro de energía para la planta desalinizadora. Por otro lado es necesario realizar un análisis económico para asegurarse de la rentabilidad de los sistemas propuestos. Es importante mencionar que en ocasiones, el mismo proveedor del aerogenerador cuenta con los equipos de regulación y transformación de energía ideales para los equipos y necesidades de determinado proyecto.
7. REFERENCIAS
Wind Power in power systems; Thomas Ackermann, Royal Institute of Technology; John Wiley & Sons Ltd; Stockholm Sweden. El ABC de las instalaciones eléctricas en sistemas eólicos y fotovoltaicos; Enríquez Harper; Editorial LIMUSA; México; 2011. Guía del instalador de energías renovables; Tomas Perales Benito; Editorial LIMUSA; México; 2010. Guía del Instalador de Energía Eólica; Tomas Perales Benito; Editorial Creaciones Copyright; España, 2010. Energía Eólica Práctica; Paul Gipe; España; 2001 http://es.windfinder.com http://www.amdee.org/ http://www.conae.gob.mx/wb/
8. ANEXOS 8.1.
Hoja técnica molino de viento bombeo de agua
8.2.
Hoja técnica aerogenerador 5kW
8.3.
Hojas técnicas lámparas iluminación
8.4.
Hoja técnica planta desalinizadora por osmosis inversa
