Energía Eólica: Situación Actual, Desarrollo Futuro y ... · aerogenerador tipo en España ......

TALLER DE ENERGÍA RENOVABLES“Situación Mundial y Usos Potenciales en el País”

Energía Eólica: Situación Actual, Desarrollo Futuro y Necesidades

de I+D

Ignacio Cruz CIEMATConcepción Chile 11-13 de Enero 2005

2Energía Eólica: Situación Actual, Desarrollos Futuros y Necesidades de I+D

Taller de Energías Renovables

Índice:Situación actual de la Energía Eólica en el Mundo.Áreas prioritarias de I+D en Energía EólicaPromoción de la energía eólica: Ejemplo de la experiencia obtenida en EspañaEducación y desarrollo de recursos humanosSituación tecnológica en España y Europa.Evolución tecnológica.Objetivos de los nuevos desarrollos tecnológicos.Conclusiones.



Evolución de la potencia eólica instalada en el mundo (MW) (Diciembre 2003)

POTENCIA TOTAL INSTALADA EN EL MUNDO

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

(MW)

MW Instalados en el AñoMW ACUMULADOS


Taller de Energías RenovablesCapacidad instalada por continentes

21

139

634

182

2466

6687

28401

ORIENTE PRÓXIMO

SUD-AMERICA YAMERICA CENTRAL

JAPÓN, AUSTRALIA YNUEVA ZELANDA

AFRICA

ASIA

AMERICA DEL NORTE

UNION EUROPEA

TOTAL MUNDIAL

38530 MW



Reparto del mercado mundial en el año 2002 (7,436 MW).

21.6 %

17.9 %

13.9 %

11.5 %

8.6 %6.8 % 6.8 %

3.3 % 3.0 %1.6 %

5.0 %

0

5

10

15

20

25 Fuente: IDAE, BTM Consult ApS-marzo 2003


Taller de Energías RenovablesAreas Prioritarias de I+D en Energía Eólica

Estudio de mercado, desarrollo de políticas de promoción y análisis de beneficios económicos de la energía eólica.

Estudios de impacto medioambiental y social.

Desarrollo de aerogeneradores y componentes.

Evaluación, estandarización y certificación.

Integración en red: Predicción de potencia eólica, almacenamiento de energía.

Operación y Mantenimiento.

Localización y desarrollo de parques eólicos.

Tecnología para desarrollo de la eólica marina.

Aerogeneradores de pequeña y gran potencia (Mega y Multi-MW).



Políticas de promoción (Ejemplo España)• Ley del sector eléctrico, 54/1997 de 27 de noviembre de 1997

Principal objetivo: Liberalización del mercado eléctricoEstablece un Régimen Especial para las E.R. (< 50 MW).Ofrece la Garantía de acceso a la red eléctrica.Implanta una prima para las energías renovables (compensación costes extern).Establece un plan de fomento de las energías renovables (12% elec. con ER en 2010)

Real Decreto 2818/1998 de 23 de diciembre de 1998Definió el procedimiento administrativo para acogerse al Régimen EspecialEstableció las primas (precio fijo o precio de mercado + prima).Reguló las relaciones entre productores y distribuidoras.

• Real Decreto 436/2004 de 12 Marzo de 2004• Establece las condiciones garantizadas durante la vida útil del proyecto.

• 90%TR (5 años), 85%TR (10 años) y 80%TR (resto de años) para parques entre 5 y 50 MW. • 90%TR (15 años) y 80%TR (Resto de años) en parques de potencia menor que 5 MW.

• Establece una Tarifa de Referencia anual (TR = 7,2072 cE/kWh) para calcular todos los incentivos.• El promotor puede acogerse a precio fijo vendiendo a la compañía eléctrica. • Promueve el acceso a mercado mediante una prima (40%TR) + incentivo (10%TR)• Exige la predicción de la potencia eléctrica para venta a compañía eléctrica.• Bonifica los aerogeneradores que no desconectan en huecos de tensión (4%TR 5 años)


Taller de Energías RenovablesResultados de la política de promoción de la energía eólica en

España (MW)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

POTENCIAACUMULADA (MW)

0

300

600

900

1200

1500

POTENCIA ANUAL INSTALADA (MW)

INSTALADO

ACUMULADO

INSTALADO 1 38 6 24 40 96 244 379 705 796 861 1440 1377ACUMULADO 7 46 52 75 115 211 455 834 1539 2335 3195 4635 6012

91 92 93 94 95 96 97 98 99 0 1 2 3



Inversión anual en el sector de la energía eólica en España

86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 2001 2002AÑO

0.7 1.9 1.4 2.0 3.5 0.6 40 8.3 25 5489

209

353

549

687

1,380

0100200300400500600700800900

1000110012001300140015001600

INVE

RSI

ON

ES (M

illon

es d

e EU

RO

S)

86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 2001 2002AÑO

801

Fuente: IDAE

Año 2002: Datos Provisionales



Situación Actual y Previsión Futura en EuropaPrimer objetivo: Alcanzar 40 GW en el año 2010 en la Unión EuropeaUnión Europea

Nuevo objetivo (abril 2002) : 60 GW en el año 2010 en la Unión Europea

Nuevo objetivo (junio 2003): 75 GW en el año 2010 en la Unión Europea.

Previsiones consultora BTM : 90 GW en el año 2010 en la Unión Europea.

Objetivo para la energía eólica en EspañaEspaña:: 13 GW (año 2011)

España enEspaña en segundasegunda posiciónposición mundial, con mas de 8,000 MW instalados (Diciembre 2004)

Tres fabricantes españoles, GAMESA EÓLICA, MADE (ahora GAMESA-MADE) y ECOTÈCNIA, dentro de los diez mayores fabricantesdiez mayores fabricantes mundiales en el año 2002. Nuevos fabricantes como EHN-Ingetur o Mtorres entran en el mercado.

CLAVE: Recurso eólico y Marco legal estable con precio garantizado a largo plazoMarco legal estable con precio garantizado a largo plazo: Sistema de tarifas con precio bonificado en reconocimiento a los beneficiosmedioambientales obtenidos.



Educación y desarrollo de recursos humanosEstablecer cuales son las mayores demandas de conocimiento actuales y futuras.Desarrollo de Programas Nacionales e Internacionales de I+D en Universidades y Centros Tecnológicos.Desarrollo de programas de entrenamiento.Realización de intercambios y estadías de profesores y alumnos entre los distintos centros.Desarrollo de material educacional.



Situación tecnológica actual del aerogenerador tipo en España (2004)

Eje horizontal.Tripala a barlovento.Regulación por perdida o cambio de paso (1/1).Velocidad constante (2 velocidades)/variable (1/1).Generador de inducción (rotor cc/rotor bobinado).Multiplicadora de ejes paralelos.Torre tubular de acero.Potencia nominal media <> 850 kW



Situación tecnológica actual del aerogenerador tipo en Europa (2004)

Eje horizontal.Tripala a barlovento.Regulación por perdida o cambio de paso (1/2).Velocidad constante (2 velocidades)/variable (1/2).Generador de inducción (rotor cc/rotor bobinado).Multiplicadora de ejes paralelosTorre tubular de acero. (H = 3.8786 D-0.3)Potencia nominal media <> 1300 kW


Taller de Energías RenovablesEvolución del tamaño de los aerogeneradores (1)

50 kWØ =15m

100 kWØ =20m

500 kWØ =40m

660 kWØ =47m

1300 kWØ =60m

5000 kWØ =124m

2000 kWØ =80m

850 kWØ =52m

3600 kWØ =104m

Ø = Diámetro del rotor

Pnom = 0.000195 Ø2.155

Año 2002

1990 1995 20041980 1985 2000 2002



Evolución del tamaño de los aerogeneradores (2)

0100200300400500600700800900

100011001200130014001500

1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

kW

ALEMANIA ESPAÑA



Evolución de la tecnología (1)PÉRDIDA AERODINÁMICA *

CAMBIO DE PASO * * * * PÉRDIDA AERODINÁMICA

ACTIVA * *

VELOCIDAD CONSTANTE * VELOCIDAD SEMI-VARIABLE * *

VELOCIDAD VARIABLE * * * * CON CAJA DE MULTIPLICACIÓN * * * * * * SIN CAJA DE MULTIPLICACIÓN *

GENERADO ASÍNCRONO “JAULA DE ARDILLA”

* * GENERADOR ASÍNCRONO,

ROTOR BOBINADO * * *

GENERADOR SÍNCRONO * SÍNCRONO MULTIPOLO *

NEG Micon BONUS NORDEX MADE ECOTECNIA

VESTAS GAMESA

NORDEX VESTAS REpower DeWind

MADE ENERCON LAGERWAY Mtorres JEUMONT

NEG Micon BONUS

ECOTECNIA

1990 1994 1998 2001 2003 2000 2002



Evolución de la tecnología (2)

01020304050607080

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

(%)PERDIDA AERODINÁMICA CAMBIO DE PASO




0102030405060708090

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

(%) VELOCIDAD CONSTANTE VELOCIDAD VARIABLE




0102030405060708090

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

(%)Asíncrono Síncrono Asíncrono Doble Alimentado



Objetivos de los nuevos desarrollos tecnológicos

Reducción de costes de generación.Optimización del diseño.Incremento de la eficiencia.Simplificación de la tecnología.Aumento de la integración en red.Desarrollo de nuevos mercados.Reducción del impacto medioambiental.Desarrollo de aerogeneradores marinos.



Reducción de costes de generación.

Reducción del coste especifico de los aerogeneradores.

Desarrollo de tecnologías avanzadas de fabricación.Reducción de los costes de instalación.Reducción de los costes de O y M.Mejora en el rendimiento de la transformación.Mejora de la disponibilidad.



Optimización del diseño

Incremento de la captura energética.Reducción de cargas.

Diseños SOFTPalas flexibles.Bujes articulados.Torres flexibles.Velocidad variable.

Nuevas estrategias de control.Nuevos materiales.



Incremento de la eficienciaNuevos perfiles aerodinámicos.

Desarrollo de perfiles aerodinámicos a medida3D y aerodinámica no estacionaria.Aerodinámica del rotor operando en pérdida.

Nuevos diseños de palas.Nuevos materiales, reducción de ruido acústico.

Velocidad variable.Nuevos generadores. (SRM)Nuevos convertidores. (BtB, IGCT…)



Simplificación de la tecnología

Integración del tren de potencia.Diseños sin caja de multiplicación.Generadores síncronos de imanes permanentes.Diseños Híbridos (caja 1 etapa + Generador Multipolar de bajo número de polos) Estrategias de regulación pasiva.Orientación libre (sotavento).Diseños de fácil montaje/desmontaje.



Mejora de la disponibilidad.Diseños certificados (IEC 61400-1 y 61400-2).Herramientas de diagnóstico y análisis de fallos en el diseño.Diseño enfocado a las condiciones externas. (Bajos/Altos vientos, alta turbulencia…)Calidad de fabricación (ISO 9001).Manuales de operación y mantenimiento adecuados con métodos de test y evaluación eficientes y de corta duración. Mantenimiento basado en monitorización (predictivo).



Aumento de la integración en red.

Mejora de la calidad de la energía.(IEC 61400-21)Control de potencia activa y reactiva.Incremento de la robustez frente a fallos de red.

Desarrollo de nuevas estrategias de control.Desarrollo de herramientas de predicción de la potencia eólica a corto plazo.Desarrollo de tecnologías competitivas de almacenamiento de energía. (ahorro hidráulico, bombeo, baterías de flujo, aire comprimido..) Desarrollo de sistemas híbridos.



Desarrollo de aerogeneradores para nuevos mercados

Altos/Bajos vientos.Terreno complejo/Alta turbulenciaAplicaciones marinas. (Off-shore)Aplicaciones aisladas de red.

Sistemas eólico-dieselDesalación de agua de marProducción de hidrógeno.

Integración en edificios.



Reducción del impacto medioambiental.Diseños reciclables.

Uso de nuevos materiales.Reducción del ruido acústico.

Nuevos perfiles.Diseño de punta de pala.Velocidad variable.

Reducción del impacto visual.Grandes aerogeneradores.Diseños estéticos e integrados en el paisaje.



Desarrollo de aerogeneradores marinosMayor velocidad específica.Menor perfil vertical y turbulencia.Diseño estanco frente a humedad, corrosión..)Distintos conceptos de cimentación:

Pilar único o monopilar.Multipilar (Tripodes).Bancada de hormigón o acero.Cajón hidráulico simple o múltiple.Flotante.


Taller de Energías RenovablesAplicaciones eólicas aisladas de red

Mercado de alta demanda (Zonas con alto potencial eólico y sin red eléctrica convencional).

Sector técnicamente desarrollado pero con poca experiencia y datos de operación a largo plazo.

Tecnología mas compleja (control, almacenamiento corto/medio plazo).

Dificultad de financiación. Difícil viabilidad económica. Requiere de apoyo político claro.

Falta de aerogeneradores adecuados.

Dificultad de adecuada O&M

Alta complementariedad energética en sistemas híbridos con otras energías renovables (solar fotovoltaica, hidráulica, biomasa) y no renovables (diesel, gas..)



CONCLUSIONESTecnología madura pero continuamente en desarrollo muy dinámico.Falta experiencia en operación y mantenimiento a largo plazo. Faltan plantas de ensayo especializadas.Cual es el límite de potencia de un aerogenerador?Cual es la máxima potencia integrable en red?Que nuevas aplicaciones nos depara el futuro?Queda mucho por hacer en el desarrollo de la tecnología de aprovechamiento eólico.

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