XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXI- SPES), Piura, 10 -14.11.2014 OPTIMIZACIÓN DE LA DISPONIBILIDAD EN LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA Y SU EVALUACIÓN ECONOMICA DEL PARQUE EÓLICO EL CERRO CHOCAN-REGIÓN PIURA Reynaldo Condori Yucra e-mail: [email protected]Norman Jesús Beltrán Castañón e-mail: [email protected]Universidad Nacional de Juliaca Puno - Perú Carrera profesional de Ingeniería en Energías Renovables AV. Nueva Zelanda N° 631 – Juliaca RESUMEN. En el presente estudio se realiza el cálculo de la potencia inyectada al sistema eléctrico interconectado análisis económico de la potencial necesidad para introducir la energía eólica y su potencial económico. Políticamente el proyecto se emplaza en la jurisdicción territorial de la región Piura, específicamente en la jurisdicción de los distritos de Paita y la Huaca, perteneciente a la provincia de Paita, departamento de Piura. Geográficamente se emplaza en la cima de las colinas Chocan, Tunal y Blanco, cuya altura no supera de los 200 m, con relación a la base. El proyecto del parque eólico el cerro Chocan tendrá una capacidad de generación de 260MW, y se espera que sea el primer proyecto de esta naturaleza, a nivel comercial, conectada a la red local de distribución [ENOSA] o al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional [SEIN], este proyecto consta de dos fases: Fase I: Se proyecta 30 turbinas eólicas Marca GAMESA modelo G-90 de 2,0 MW de potencia, con una potencia total de 60MW. Para este efecto se instalara una línea de transmisión de 60KV, de 5,9 Km de longitud entre la Subestación del Parque eólico y la línea existente de ENOSA. Fase II: Del proyecto se piensa expandir la capacidad del parque eólico a 260MW., adicionando 100 turbinas GAMESA G-90 de 2,0MW, así como la construcción de una línea de transmisión de 220KV hacia la subestación Piura– Oeste, ubicada en el corredor principal del SEIN, Norte-Sur. En el estudio económico se ha iniciado calculando la inversión total del parque eólico para 30 aerogeneradores es de: 155 735.220,00$, la producción neta de 7.900,021 MWH y una producción total de energía anual de: 237.000,62 MWH/AÑO, con factor de capacidad [FC] de 45,09%., que es similar al rendimiento de la planta. El costo de O&M: 1% de la inversión total y 3% de la inversión inicial (aumento del 2% anual para ambos): 30,1% La disponibilidad operativa del parque eólico es 98.5%, y su rendimiento de la planta de 45.09%. Cabe señalar que las turbinas eólicas ocuparan una superficie de 2.900 HA., de las 13.200 Ha, que abarcan el predio del parque eólico, que son propiedad de las Fuerza Armada. PALABRAS - CLAVE: Energía eólica, Aerogenerador, factor de capacidad, costo de operación y mantenimiento, análisis económico. 1. INTRODUCCIÓN.- El viento es un recurso disponible, ecológico y sostenible. En estos últimos años, especialmente en Europa, han aumentado mucho el número de parques eólicos instalados, en sitios donde las condiciones climáticas y ambientales permiten el mejor aprovechamiento del viento a los fines de obtención de energía. La actividad productiva en la zona norte del país ha incrementado la necesidad y el crecimiento de la demanda de la energía del sistema eléctrico, tal es así que se tiene proyectos mineros e industriales como el proyecto Bayovar, que tiene previsto una demanda de 50MW, siendo la carga más importante dentro del área de influencia del proyecto, así como la refinería de Talara-Petroperú, planta de fosfato Brasileña Vale y las mineras Newmont- EE.UU, Barrick- Canadá y Buenaventura-Nacional, atraen a buscar entre fuentes energéticas renovables en la región de Piura. Ante tal crecimiento de demanda energética del país, se hace necesaria la implementación de nuevos proyectos energéticos que permitan cubrir la creciente demanda por parte del mercado eléctrico, a lo cual responde justamente el proyecto del parque eólico el Cerro Chocan. El aprovechamiento de la energía eólica ya es una realidad para la diversificación de la matriz energética del Perú, particularmente en la región Piura y otras regiones que tienen un gran potencial eólico. Sin embargo, para poder lograr el incremento de la participación de la energía eólica en la matriz energética nacional, es necesario determinar la correcta operación o explotación y mantenimiento de los parques eólicos o centrales eólicas (CE) de gran capacidad [3]. Formar parte del sistema de generación eléctrica en los aerogeneradores de los parques eólicos demanda una alta disponibilidad que estará muy ligada con la confiabilidad y la operación y mantenimiento [O&M]. Es por ello que el desarrollo del presente trabajo de investigación tiene como objetivo presentar una metodología diseñada para disminuir las posibles fallas existentes de los aerogeneradores de gran potencia (>1000kW) incrementando su disponibilidad y confiabilidad.
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XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXI- SPES), Piura, 10 -14.11.2014
OPTIMIZACIÓN DE LA DISPONIBILIDAD EN LA PRODUCCIÓN DE
ENERGÍA Y SU EVALUACIÓN ECONOMICA DEL PARQUE EÓLICO
XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXI- SPES), Piura, 10 -14.11.2014
Fig. 01: Velocidad del Viento Media Mensual (Km/H) Piura-Periodo 1963-2008
2.1. DATOS DE PARTIDA.
Los datos de partida son aquellos datos que presuponemos para poder comenzar los cálculos. En este caso, fijar los
datos de partida consiste en fijar las condiciones. Los datos de partida se pueden resumir en los siguientes puntos:
2.2. CARACTERISTICAS DEL AEROGENERADOR G90 2MW.
Voltaje : 0,69/22,9KV (+/- 5% ΔV)
Frecuencia : 60 Hz (+ /- 2%)
Potencia : 2000 KW (efectiva)
Velocidad de arranque : 3m/s
Velocidad de corte : 25 m/s
3. INDICADORES EN TÉRMINOS FINANCIEROS
3.1. VALOR ACTUAL NETO [VAN]:
………….………………………………………..……………...………. [1]
3.2. TASA INTERNA DE RETORNO [TIR]:
………………………..………………………………. [2]
Para realizar este análisis económico se van a analizar los tres conceptos más relevantes para ello:
a) Inversión inicial.
b) Costos de operación y mantenimiento [O&M]
c) Ingresos.
La finalidad del presente estudio es ser rentable económicamente. Se analizará la rentabilidad económica del parque
eólico el cerro Chocan para el que se supone una vida útil de 20 años.
3.3. INVERSIÓN INICIAL
En la tabla 03 se puede observar todos los conceptos implicados en el proyecto y sus respectivos costos de inversión
para el cálculo.
3.4. PRESUPUESTO DEL PARQUE EOLICO CON 30 AEROGENERADORES DE 2MW. El costo de un parque eólico oscila entre 840 y 1000 €/KW, Considerando unos 900 €/KW [4]. Trabajando al
cambio en dólares (1€ equivale a 1.29023$), se tendría los siguientes valores:
Potencia Unitaria : 2MW
Número de Turbinas : 30
Inversión Unitaria por Turbina : 2 200.000 $/MW
Multiplicando por la potencia : 4 400.000 $
Inversión Total : 132 000.000 $
Ene
Ago
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
1963
1965
1967
1969
1974
1976
19
78
1980
1982
1984
1986
1988
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
20
08
Mes
es
Vel
oci
dad
(K
m/h
)
Años
Velocidad del Viento Media Mensual
Ene Feb. Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Media Anual
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-7.00000
-6.00000
-5.00000
-4.00000
-3.00000
-2.00000
-1.00000
0.00000
1.00000
2.00000
3.00000
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50
Fre
cue
nci
a A
cum
ula
da
An
ual
Ln(Velocidades)
Weibull Horas-Velocidad viento
De este valor los componentes tienen los siguientes porcentajes:
Tabla 02: Porcentajes a considerar para el cálculo de presupuesto del parque eólico [4]
Estudio de Viabilidad 1.00%
Turbina 65.00%
Obras civiles 12.00%
Transporte y montaje de turbinas 1.95%
Sistema eléctrico 12.00%
Desarrollo e ingeniería 5.00%
Planificación y Administración 2.00%
Promoción del Parque 1.00%
Otros 0.05%
TOTAL 100,00%
Elaboración: Propia
Tabla 03: Costo del parque eólico 60MW. (30 aerogeneradores de 2MW)
Elaboración: Propia
4. GENERACIÓN DE ENERGÍA ESTIMADA PARA LA TURBINA GAMESA G90-2MW Y CURVA DE
POTENCIA (50% DE PROBABILIDAD)
A partir de los datos de frecuencia de las horas anuales con relación a la velocidad del viento, se comprueba si
corresponden a una distribución de Weibull, calculando los parámetros correspondientes:
: Factor de forma
: Factor de escala, y la velocidad promedio del viento Vmed:
Fig. 02: Curva de Weibull horas - Velocidad de viento
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Com : Costo de operación y mantenimiento en el año n [$].
Com : Costo de operación y mantenimiento [$/kWh].
Pins : Potencia instalada [kW].
haño : Horas equivalentes de funcionamiento del parque al año.
tnom : Tasa nominal de explotación y mantenimiento.
n : Año n.
5.5.2. Cálculo del Costo del Mantenimiento del Aerogenerador:
Es el 1% del KWH de salida (aumento del 2% anual)
De la tabla 09 y 12 se tiene:
Producción Media Unitaria: 7,900.021 MWH
Producción Anual : 237.000,62 MWH/AÑO
237 000.620 KWH
Entonces para: 1% = $ 2, 370,006
1.5% = $ 2, 336,028
2% = $ 3, 114,704 Anual del costo de inversión inicial
Finalmente se asume un costo de: 3, 000,000 $/AÑO
5.5.3. Cálculo del Costo de Operación del Aerogenerador:
Es el 3% de la inversión total/año
Entonces para 3% = 4, 672,057 $/AÑO
El parque dispone de 30 Aerogeneradores, con una producción de 237.000,62 MWH
Factor de Capacidad neto que es lo mismo a la eficiencia energética tiene un valor de: 45,09%
5.5.4. Calculo del Costo de Capital por KWH:
𝐶𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎𝑙
𝑘𝑊𝐻= [
𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎(𝑘𝑊)] × [
𝑇𝐼𝑅
𝐹𝐶×8760]…………………………. [13]
La tasa interna de rentabilidad [TIR] que indica la viabilidad del proyecto depende del tipo de interés aplicado (r) y
de los años de vida útil de la planta
𝑇𝐼𝑅 =𝑟
[1−1
(1+𝑟)𝑛]…………………………………….…. [14]
Dónde:
FC : Factor de capacidad
TIR : Tasa Interna de Retorno
r : Tasa de interés (r = 0.07)
n : Periodo de tiempo (n = 20 años)
Reemplazando en las ecuaciones anteriores resulta:
Para un TIR = 0,0944
Costo Capital/KWH = 0,0620 $/KWH Anual
6. RESUMEN DE LOS CÁLCULOS OBTENIDOS:
Costos Anuales de Operación + Mantenimiento : 7 672,057 $/Año
(5,813%)
Costos de Operación + Mantenimiento Por Kwh : 0,032372 $/KWH Costo de la Extracción de la Energía Eólica : 0,0944009$/KWH
($188,80/ hora)
El cálculo del factor de disponibilidad alcanza el : 98.52% El cálculo del rendimiento energético : 45.09% 6.1. COSTO DE LA ENERGIA [COE]
La importancia que está adquiriendo la energía eólica en el panorama mundial. Continuará teniendo un futuro
próspero si se apoya en los siguientes dos pilares: reducir el [COE] y mejorar la confiabilidad de los parques
eólicos. Una energía que pueda hacer frente a las otras fuentes convencionales debe tener un precio competitivo y una
alta disponibilidad y confiabilidad exigida, si se quiere ser parte importante de la red de generación eléctrica mundial.
Reducir el [COE] y una alta confiabilidad son dos conceptos que van de la mano. Un sistema con mayor
confiabilidad requiere de menos costos de [O&M] y costo de reemplazo [LCR]. Se consigue una mayor disponibilidad
energética anual [AEP]. La definición de [COE] es la siguiente:
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𝐶𝑂𝐸 =(ICC×FCR)+𝐿𝐶𝑅
AEP+ 𝑂&𝑀 …………………….………….…. [15]
Dónde:
ICC : Costo de la inversión inicial
FCR : Cargo de la tasa de reparación.
LCR : Costo de remplazo
O&M : Costo de operación y mantenimiento
AEP : Disponibilidad Energética Anual
La mejora de la confiabilidad aumentará el denominador, AEP, y disminuirá los costes de LCR y O&M.
Realizando estudios de fiabilidad, es probable que aumente el ICC, pero a largo plazo se producirá un reducción mayor
de los costes de LCR y O&M y aumento de la AEP, consiguiendo reducir el COE.
6.2. CAPACIDAD DE TRANSFERENCIA DE LA ENERGIA A LA RED.
Los KWH producidos, considerando un promedio de 8Hr., de viento a una velocidad media de 8m/s dando el
generador la potencia eléctrica máxima, son:
2000kW x 8h x 360dias = 5'760.000 kWh/año
Suponiendo que las instalaciones situadas al lado de la torre consuman el equivalente a una vivienda tipo.
8.035kWh/día x 360 = 2.893 kWh/año
Se puede transferir a la red:
5'760.000 - 2.893 = 5'757.107,4 kWh/año
Si la central eólica vende su energía a alguna compañía suministradora, el BOE67 de 18/03/08 (RD 222/08 del 15
de Feb.), indica que en la categoría b.2.1 (Instalación Eólica en tierra), la tarifa Eléctrica regulada es de 0,097646 $/kWh [0,075681 €/kWh] los primeros 20 años [4]
6.3. BALANCE ECONOMICO Y EVALUACIÓN DE LOS INDICADORES ECONÓMICOS
PARQUE EOLICO DE 60MW (30 AEROGENERADORES DE 2MW GAMESA G90)
Inversión Total : 155 735.220,00 $
Tarifa eléctrica regulada : 0,097646$/KWH
Producción anual : 237 000.620 KWH
Transferencia de energía a la red : 23, 142,138.04 $/año (Ingresos iniciales)
Ingreso por transferencia de electricidad a la red (aumento de 1.4 - 2%/año), Eligiendo la opción de tarifa regulada
durante los 20 años de vida útil de la instalación, se estima un incremento medio anual del 1.4%.
6.4. INGRESOS
Los ingresos que se obtendrán por la transferencia de energía a la red, los obtendremos de la ecuación:
OPTIMIZATION OF THE AVAILABILITY IN ENERGY PRODUCTION AND ECONOMIC
ASSESSMENT OF WIND FARM COLLIDE-HILL REGION PIURA Abstract. In the present study the calculation of the power injected interconnected power system economic analysis of
the potential need to enter the wind energy and its economic potential is realized.
Politically, the project is located in the territorial jurisdiction of the Piura region, specifically in the jurisdiction of the
districts of Paita and Huaca, belonging to the province of Paita, Piura department. Geographically it is located on top
of Collide, White Tunal and hills whose height does not exceed 200 m, relative to the base.
The wind farm project on Mount Collide have a generating capacity of 260MW and is expected to be the first project of
this nature, commercially connected to the local distribution network [ENOSA] or the national grid [SEIN ], this
project consists of two phases:
Phase I: 30 Gamesa wind turbines Brand Model G-90 2.0 MW is planned, with a total capacity of 60MW.
For this purpose a transmission line of 60KV, 5.9 km long between the substation and the existing wind farm ENOSA
line was installed.
Phase II: the project is intended to expand the capacity of 260MW wind farm by adding 100 turbines Gamesa G-90
2,0MW as well as the construction of a 220KV transmission line to the substation Piura-West, located in the. SEIN
main corridor North-South.
The economic study was started by calculating total investment of 30 wind turbines for wind farm are: 155 $
735,220.00, the net production of 7900.021 MWH and total annual energy production: 237,000.62 MWH / YEAR
capacity factor [FC] of 45.09%. which is similar to the performance of the plant.
The cost of O & M: 1% of the total investment to 3% of the initial investment (annual increase of 2% for both): 30.1%
The operational availability of the wind farm is 98.5%, and plant performance of 45.09%. It should be noted that wind
turbines occupy an area of 2,900 HA., The 13,200 Ha, covering the site of the wind farm, owned by the Armed Forces.
Key Words: Wind Power Wind Turbine capacity factor, cost of operation and maintenance, economic analysis.