OPTIMIZACIÓN DE LA DISPONIBILIDAD EN LA PRODUCCIÓN OPTIMIZACIÓN DE LA DISPONIBILIDAD EN LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA Y SU EVALUACIÓN ECONÓMICA DE ENERGÍA Y SU EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PARQUE DEL PARQUE EÓLICO EÓLICO ‘‘EL CERRO CHOCAN’’ – REGIÓN PIURA ‘‘EL CERRO CHOCAN’’ – REGIÓN PIURA Piura, Noviembre - 2014 UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ING. MECÁNICO ELECTRICISTA REYNALDO CONDORI YUCRA SOCIO APES-ISES XXI SIMPOSIO DE ENERGIA SOLAR – SPES ASOCIACIÓN PERUANA DE ENERGÍA SOLAR Y DEL AMBIENTE (APES)
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OPTIMIZACIÓN DE LA DISPONIBILIDAD EN LA PRODUCCIÓN OPTIMIZACIÓN DE LA DISPONIBILIDAD EN LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA Y SU EVALUACIÓN ECONÓMICA DE ENERGÍA Y SU EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PARQUE DEL PARQUE
EÓLICO EÓLICO ‘‘EL CERRO CHOCAN’’ – REGIÓN PIURA‘‘EL CERRO CHOCAN’’ – REGIÓN PIURA
Piura, Noviembre - 2014
UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURAFACULTAD DE CIENCIAS
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍAELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
ING. MECÁNICO ELECTRICISTA REYNALDO CONDORI YUCRASOCIO APES-ISES
XXI SIMPOSIO DE ENERGIA SOLAR – SPES
ASOCIACIÓN PERUANA DE ENERGÍA SOLAR Y DEL AMBIENTE (APES)
CONTENIDO
XXI Simposio Peruano de Energía Solar (SPES 2014) - Universidad Nacional de Piura (UNP)
1. Introducción y la Energía Eólica Disponible
2. La Energía Eólica en la Generación Eléctrica Conectados a la Red
3. Calculo de la energía inyectada al sistema
4. Análisis Económico de la Planta
Conclusiones y Recomendaciones
INTRODUCCION
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La actividad productiva en el norte del país ha incrementado la necesidad y el crecimiento de la demanda de la energía, tal es así que se tiene proyectos mineros e industriales como:
El proyecto Bayovar, (50MW)La refinería de Talara-Petroperú, La planta de fosfato Brasileña Vale,Las mineras:Newmont-EE.UU, Barrick-Canadá y Buenaventura-Nacional, atraen a buscar entre fuentes energéticas renovables en la región de Piura.
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La Energía Eólica En La Generación Eléctrica Conectados a la Red
INTRODUCCION
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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, de la región 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.
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Proyecto Parque Eólico el Cerro Chocan:Linderos de la Concesión Temporal
LINDEROS CONCESIÓN EL CERRO CHOCAN
13.200 HA
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La Energía Eólica En La Generación Eléctrica Conectado a la Red
Ubicación del parque eólico el Cerro Chocan
Área de Influencia del Parque Eólico el Cerro Chocan
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LA ENERGIA EÓLICA EN LA GENERACION ELECTRICA CONECTADOS A LA RED
Disposición de las Turbinas del Parque Eólico
A
BC
DE
FG
H I
J K
L M
N
PQ
R
O
N
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Selección del Sistema y Definición del Contexto Operacional
Tren de PotenciaTren de Potencia GeneradorGenerador MultiplicadoraMultiplicadora Sistema PitchSistema PitchSistema
HidráulicoSistema
Hidráulico
Aerogenerador 2
Aerogenerador 2
Aerogenerador 1
Aerogenerador 1
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LA ENERGIA EÓLICA EN LA GENERACION ELECTRICA CONECTADOS A LARED
Descripción de los componentes del Aerogenerador GAMESA G90
Calculo de la potencia y energía inyectada al sistema
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En el presente estudio se realiza el cálculo de la potencia a inyectarse al sistema eléctrico, análisis económico de la potencial necesidad para introducir la energía eólica y su potencial económico.
Para determinar el sistema más adecuado para la utilización de la energía EÓLICA es preciso conocer la energía eólica disponible en la región de Piura.
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El Recurso Eólico en la Región de Piura
Fuente: Ministerio de Energía y Minas - MINEM 2010 WWW. Tutiempo.net- estación Piura.
Año Ene Feb. Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicMedia Anual
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El Recurso Eólico en la Región de Piura
Velocidad del Viento Media Mensual (Km/H) Piura-Periodo 1963-2008
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DIAGRAMA ENTRADA PROCESO SALIDA (EPS)
A sistema de Control
Energía EléctricaEnergía
Cinética del Viento
Aceite de Aceite de Lubricación Lubricación
Aceite de Refrigeración
Aire de Instrumentos
AEROGENERADORAEROGENERADOR
Cero emisiones de gas
Emisión de ruidoMenor a 50dB a 200m
DATOS DE PARTIDA
CARACTERISTICAS DEL AEROGENERADOR G90 2MW.Voltaje : 0,69/22,9KV (+/- 5% ΔV)Frecuencia : 60 Hz (+ /- 2%)Potencia : 2000 KW (efectiva)Velocidad de arranque : 3m/sVelocidad de corte : 25 m/s
INVERSIÓN INICIALEn la tabla 02 se puede observar todos los conceptos implicados en el proyecto y sus respectivos costos de inversión para el cálculo.La optimización de una instalación eólica radica en conseguir la máxima generación de energía paraun coste dado.
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Presupuesto para el parque eólico de 30 aerogeneradores de 2000kW
AEROGENERADOR DE 2MW - PRESUPUESTO APROXIMADO
COSTO DE INSTALACIÓN: 2.200.000 $/MW
PARA 30 Turbinas (60MW): 60MWx2.200.000$/MW
INVERSION TOTAL: 132.000.000 $
De este valor los componentes tienen los siguientes porcentajes:
Estudio de Viabilidad: 1.00%
Turbina: 65.00%
Obras civiles: 12.00%
Transporte y montaje de turbinas: 1.95%
Sistema electrico: 12.00%
Desarrollo e ingenieria: 5.00%
Planificacion y Administracion: 2.00%
Promocion del Parque: 1.00%
Otros 0.05%
100.0%
El costo de instalación de un parque eólico oscila entre (840 - 1000) €/KW, en Europa.
En nuestro País el costo total se estima en unos 2’200.000 $/MW Instalado (1€ ≈ 1.30), se tendría los siguientes valores:
Tabla 02
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Costo Del Parque Eólico 60MW(30 Aerogeneradores de 2MW)
P/UNITARIO
($) % DE INV. CANTIDAD PRECIO ($)
ESTUDIOS DE VIABILIDAD(1% DE LA INV. TOTAL) 1 1 1’320.000
COMPONENETES
Torre meteorológica 50m (Sensores de velocidad y dirección del viento) 15.000 0.00086957 3 45.000Turbina de 90m de diámetro(65% de la inv. Total) 2’860.000 65 30 85’800.000Transporte y montaje de la turbina (3% del costo de la turbina = 1.95% del costo total) 85800 1.95 30 2’574.000Obras Civiles (12% de Inv. Total) 12 1 15’840.000Conexión a la red – Estudio de suministro (12% de la Inv. Total) 12 1 15’840.000Planificación y Administración-Notaría, Compensaciones (2% del costo total) 2 1 2’640.000Desarrollo e Ingeniería, estudio de Impacto (5% de inv. Total) 5 1 6’600.000Promoción del Parque(1% Inv. Total) 1 1 1’320.000TOTAL PARCIAL 100% 131’979,000IGV(18%) 23’756.220TOTAL CON IGV 155’735,220
PRODUCCION MEDIA UNITARIA 7,900.021MWHPRODUCCION ANUAL 237,000.62MWH/AÑO
237,000,620KWH
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Generación de Energía Estimada para la Turbina Gamesa G90-2MW y Curva de Potencia (50% De Probabilidad)
CLASIF.: 2000kW
ALTURA 80mDENSIDAD AIRE 1.225Kg/m3VELOCIDAD VIENTO 8.5m/sINT. DE TURB. 10.0% RECORD DE PERIODO: 01/01/08 31/12/08
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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:
β: Factor de forma: 1.94η: Factor de escala: 8, y Vmed: 8,46 m/s
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Generación de Energía Estimada para la Turbina Gamesa G90-2MW y Curva de Potencia (50% De Probabilidad)
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GENERACION DE ENERGIA ESTIMADA PARA LA TURBINA G90 - 2MW (50% DE PROBABILIDAD) 30 AEROGENERADORES
ENERGIA ANUAL 9,109.382 MWH
Velocidad media según potencia 8.5 m/s
PROD. ANUAL 273,281.46 MWH
PROD. ANUAL MAXIMA 525,600.00 MWH
FACTOR DE CAPACIDAD BRUTA 51.99%
Disponibilidad 3.0%
Distribución Eléctrica (perdidas de Energía)2.3%
Turbulencia y controles 0.5%
Efectos de interferencia estela(Wake) 5.0%
Contaminación(cambios en la aerodinámica alabes)2.0%
Utilidad (paradas de planta por Mtto.) 0.5%BRUTO A NETO 86.72%
PERDIDAS
OPTIMIZACIÓN DE UNA INSTALACIÓN EÓLICA
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Curva del coeficiente de Potencia Cp
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OPTIMIZACIÓN DE UNA INSTALACIÓN EÓLICA
El RENDIMIENTO GLOBAL MAX. DEL AEROGENERADOR, SEGÚN LA LEY DE BETZ ES:RENDIMIENTODE LA ENERGIA CINETICA DEL VIENTO
Eficiencia teorica maxima Aerogenerador: 59,3% Entonces: 0.593
EL RENDIMIENTO APROXIMADO DE LOS COMPONENTES DEL AEROGENERADOR ES:SELECCIONAMOSEl Rotor: 0.20 < Rendimiento < 0.85 0.80El Multiplicador: 0.70 < Rendimiento < 0.98 0.90El Generador: 0.80 < Rendimiento < 0.98 0.90El Transformador: 0.85 < Rendimiento < 0.98 0.90
No se consideranPerdidas en la linea de conducion0.90< Rendimiento < 0.99 1.00
POR CONSIGUIENTE EL RENDIMIENTO GLOBAL DEL AEROGENERADOR, CON LOS VALORES SUPUESTOS, ES DE:
Rendimiento Global: 0.35
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CALCULO DE LA PRODUCCION NETA 30 AEROGENERADORES:
PRODUCCION TOTAL NETA 130 AEROGENERADORES:
PRODUCCION NETA 7,900.021 MWH
FACTOR DE CAPACIDAD NETO 45.09%
PROCUCCION TOTAL 60(MW) 237,000.62 MWH/AÑO
PROCUCCION 60(MW)
PROCUCCION 200(MW)
237,000.62 MWH/AÑO
790,002.06 MWH/AÑO
PROCUCCION TOTAL 260(MW)
1,027,002.67 MWH/AÑO
PRODUCCION NETA DE LA ENERGIA
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ANÁLISIS ECONOMICO
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ANÁLISIS ECONOMICO
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Calculo de la Disponibilidad Operativa (Ao)
Ao = 98.52%
Calculo de la Eficiencia Energética Neto (η)
η = 45.09%
COSTOS ANUALES DE OPERACIÓN + MANTENIMIENTO: 7, 672,057 $/AÑO
COSTOS DE OPERACIÓN + MANTENIMEINTO POR KWH: 0,032372 $/KWH
COSTO DE LA EXTRACCION DE LA ENERGIA EOLICA :0,0944009 $/KWH ($188,80/ hora)
Costo Capital/KWH = 0,0620 $/KWH ANUAL
ANÁLISIS ECONOMICO
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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.
Uno de los factores clave de la energía eólica, consiste en reducir los costos de O&M y con ellos en cierta medida el costo de la energía [COE].
ANÁLISIS ECONOMICO
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ANÁLISIS ECONOMICO
COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO [O&M]Los costos de operación y mantenimiento los vamos a tener en cuenta para toda la vida útil del parque. Este tipo de costos corren a cargo de la empresa que opera el parque y los dividimos en:
- Gastos fijos: independientes de la operación del parque. Se refieren al personal contratado, gastos administrativos, etc.- Gastos variables: dependen de las horas de operación del parque. Se refieren al mantenimiento, agua, energía consumida, etc.
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ANÁLISIS ECONOMICO
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 MWHProducción Anual : 237.000,62 MWH/AÑO
237 000.620 KWH
Entonces para: 1% = $ 2, 370,006 1.5% = $ 2, 336,0282% = $ 3, 114,704 Anual del costo de
inversión inicial
Finalmente se asume un costo de: 3, 000,000 $/AÑO
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ANÁLISIS ECONOMICO
CÁLCULO DEL COSTO DE OPERACIÓN DEL AEROGENERADOR:
Es el 3% de la inversión total/añoEntonces 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%
Calculo del Costo de Capital por KWH:
Costo Capital/KWH = 0,0620 $/KWH Anual
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ANÁLISIS ECONOMICO
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%
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/añoSuponiendo que las instalaciones situadas al lado de la torre consuman el equivalente a una vivienda tipo.8.035kWh/día x 360 = 2.893 kWh/añoSe puede transferir a la red:
5'760.000 - 2.893 = 5'757.107,4 kWh/año
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ANÁLISIS ECONOMICO
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
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BALANCE ECONÓMICO
RESULTADOS PRELIMINARES:Parque eólico de 60MW (30 Aerogeneradores de 2MW)Inversión total: 155 735.220,00 $Producción anual: 237 000.620 KWHCosto de mantenimiento: 1% del KWH de salida = 2 370.006,20 $/AÑO (Aumento 2% anual)Costo de Operación 3% Inversión total/año= 4 672,057 $/AÑO (Aumento 2% anual)Tarifa eléctrica regulada 0,097646 $/KWHTransferencia de energía a la red: 23, 142,138.04 $/añoInterés de Capital: 8.75%Taza de amortización: 5%
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BALANCE ECONÓMICO
VAN S/. 6,081,441
TIR 20 años9.27%
TIR 5 años-17.96%
TIR 10 años1.54%
TIR 15 años7.09%
Ratio 1.25
COSTOS DE O&M: 34,0 %
Indicadores Económicos
Diseño de un Plan de Mantenimiento Centrado en Confiabilidad (MCC) del Parque Eólico el Cerro Chocan
Estimación del costo de riesgo (R) de fallo
Se ha cuantificado el riesgo (R) para cada modo de fallo en ($/Año)
Personal: 03 MecánicosTiempo de reparación: 8 Hr. x 120.000$/Hr. = 960.000 $ Costos directos Por falla: 65.000 $Impacto total Por fallo: 960.000$ + 65.000$ = 1’ 025.000$Riesgo = 1’025.000$
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ANTECEDENTES EN PARQUES EOLICOS
[TAVNER, 2006] [RIBRANT, 2007]
Sistema
Eléctrico
14.6% Sistema
Eléctrico
14.3%
Control
electrónico
11.3% Sistema de
control
12.9%
Rotor 10.7% Palas de
paso(pitch)
9.4%
Multiplicadora 10% Engranajes 19.4%
Generador 9.8% Generador 8.9%
Sistema Yaw 8% Sistema Yaw 13.3%
Soporte
Estructura
7.8%
Hidráulico 4.4%
Porcentaje de los sistemas con mayor tiempo medio anual fuera de servicio a partir de los estudios realizados por [Tavner, 2006] y [Ribrant, 2007].Elaboración propia
- La disponibilidad operativa de la planta es de: 98.52%.- La confiabilidad para las tasas correspondientes de fallos es de: 0,9931 y 0,9944 para el generador y la multiplicadora.
- La interrupción durante un día de una turbina individual de 2000 kW (fc=45.09% y $94.40/MWH) se traduce en una pérdida de retorno de $188.80
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CONCLUSIONES
La gestión energética permite incrementar la eficiencia en el uso de la energía.
El uso eficiente de energía produce mayores utilidades para las empresas.
La gestión energética es una labor permanente que se justifica con los ahorros.
Una gestión energética eficaz requiere de la voluntad y compromiso de la gerencia y demás niveles.
La eficiencia energética se traduce en menores emisiones contaminantes al ambiente.
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CONCLUSIONES
En el AMEF, se han obtenido 92 modos de fallos, 45 modos de fallos analizados, 39 modos de fallos a ser analizados en otro subsistema y 8 modos de fallos genéricos de seguridad, resultando: 15 tareas preventivas planificadas (33%), 30 tareas por condición (67%).
El tiempo promedio de interrupciones debidas a fallos, por año, varía entre 62 horas y 142 horas, es decir, entre 2 días y 6 días. Una turbina promedio puede necesitar ser atendida por reparación desde 0.34 hasta 2.4 veces al año.
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CONCLUSIONES
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RECOMENDACIONES
Se debe realizar el AMEF para los sistemas Eléctricos y electrónicos y agregar mas elementos.
Para tener un panorama mas real se debe realizar un modelamiento de todo el parque eólico.
Promover el uso de energías renovables como complemento de las energías utilizadas actualmente, para disminuir así los daños producidos al medio ambiente, e Incentivar a los alumnos de las diferentes escuelas de ingeniería al estudio de las energías renovables, con miras hacia las nuevas tendencias sobre la utilización de las llamadas energías verdes.