LA ENERGÍA EÓLICA EN LA REPÚBLICA ARGENTINA: APORTES PARA EL DESARROLLO DE SU APROVECHAMIENTO MASIVO Autor: Enrique Adolfo Covas, Ing. Civil, Universidad Nacional de La Plata. ARGENTINA Palabras clave: Viento, agua, almacenamiento, aprovechamientos combinados. Resumen Este trabajo tiene como objetivo realizar aportes para el desarrollo del aprovechamiento masivo del recurso eólico de la Argentina, que, conjuntamente con otras fuentes de energía, contribuirá por un lado al reemplazo paulatino de los combustibles fósiles, contaminantes y en agotamiento y por otro, a la salida de la crisis energética en la que se encuentra el país. Se plantea: la estrategia a seguir en los próximos años, el mejoramiento de los estudios del recurso, la posibilidad de realizar aprovechamientos combinados eólicos – hidroeléctricos y el desarrollo de aerogeneradores de eje vertical. 1. INTRODUCCION El desarrollo del aprovechamiento masivo del recurso eólico de la Argentina, contribuirá al reemplazo paulatino de los combustibles fósiles, contaminantes y en agotamiento y a la salida de la crisis energética en la que se encuentra el país, que se manifiesta principalmente en el crecimiento de la demanda, producto del crecimiento de la economía, sin el necesario incremento de la oferta. (1), (2). El crecimiento de la economía resulta indispensable para lograr a largo plazo, una sustancial mejora en la situación socioeconómica. Para poder sostenerlo la oferta energética debería crecer como mínimo en iguales proporciones. La gran ventaja que posee la generación eólica en la Argentina es la magnitud del recurso. Con la tecnología actual, en la Patagonia el recurso es superior a 800.000 MW; más de 100.000 MW tendrán factores de utilización cercanos al 50 % y para el resto, este factor será de aprox. 40%. (3). Hay desventajas técnicas que dificultan su inserción masiva en el mercado eléctrico. Ellas, imponen una restricción en la entrega al sistema de transmisión, de cantidades inferiores al 20% de la energía circulante en el mismo. (2). Mantener la restricción apuntada implica desaprovechar el recurso, por lo cual deben buscarse las soluciones que permitan su aprovechamiento. 2. ESTRATEGIA A SEGUIR EN LOS PRÓXIMOS AÑOS Resulta necesario volcar los esfuerzos para ir paulatinamente hacia el reemplazo de combustibles fósiles por fuentes de energías renovables y “limpias. Para ello, deben buscarse las soluciones necesarias para lograrlo en forma eficiente y económica. Aquí se analiza la posibilidad del almacenamiento de la energía eólica en centrales hidroeléctricas de acumulación por bombeo, que incluso permitirán la producción de hidrógeno, como otra posibilidad complementaria de almacenamiento. Deben implementarse estos sistemas combinados, tratando de aprovechar al máximo los recursos naturales renovables, con grandes centrales (de más de 1.000 MW), en las zonas en donde se encuentre el recurso. Esto permitirá el desarrollo industrial, disponiendo de industrias electrointensivas, que, a criterio del autor, deben implantarse en las zonas del recurso. Para llegar a establecer un verdadero apoyo a las fuentes de energía renovables, en particular la eólica, debe generarse un amplio debate nacional que conduzca a elaborar una política energética consensuada y duradera que exceda los plazos de una gestión. En tal sentido, el autor propone como estrategia a seguir para los próximos 20 años, primero adoptar una tasa de crecimiento del país del 5%, tendiendo principalmente a un fuerte desarrollo industrial para lograr una sustancial modificación en las fuentes de ingreso del país y mejorar la calidad de vida de la población. Para ello, deben realizarse anticipadamente las grandes obras de infraestructura para abastecer a las industrias de la energía que necesitan. El crecimiento industrial sostenido del país requerirá un crecimiento del mismo orden en la oferta energética, que significa un incremento promedio del parque eléctrico de unos 2.000 MW anuales de potencia instalada, de manera que en el año 2025 se cuente con una potencia instalada total superior a los 65.000 MW. Las inversiones necesarias en el sector energético deberán ser del orden de U$S 60.000.000.000 en 20 años. Inicialmente habrá que instalar unos 1300 MW por año y hacia el final del período unos 3.000 MW por año. Pero esta previsión es de mínima, dado que si se establece una fuerte política de fomento, el crecimiento podría ser muy superior. De estas inversiones, una buena parte deberían ser en aprovechamientos combinados eólicos-hidroeléctricos. 3. MEJORAMIENTO DE LOS ESTUDIOS DEL RECURSO ENERGÉTICO EÓLICO 3.1. Metodología El análisis que se propone, requiere que en una región extensa ventosa, por ejemplo la provincia de Santa Cruz, la del Chubut, o ambas juntas, se dispongan numerosas estaciones de medición, con sistemas de almacenamiento de datos a tiempo real. Cuanto más estaciones se establezcan, mayor precisión tendrá el estudio. En este sentido, la experiencia en la ubicación de estaciones de medición no establece una regla precisa, fundamentalmente, por la incidencia de la topografía y el tipo de terreno (presencia o no de montañas, tipo de vegetación rugosidad, disposición de los accidentes en relación a los vientos, etc.). Para cada zona de la región habrá que disponer con criterio, la densidad y ubicación de las estaciones. A medida que avancen los estudios, podrán determinarse reubicaciones incremento o disminución de las mismas. Un estudio racional, requerirá de un tiempo mínimo de 3 años. Los instrumentos de medición de viento actuales, incluyen sistemas de almacenamiento de los datos, tanto de velocidad como de dirección. La velocidad (v) y dirección (d) que se almacena, es la media del período (p) elegido, sabiendo que cuanto menor es el período elegido, mayor cantidad de memoria se requiere y mejor es la precisión del estudio. Pueden elegirse (según la marca y modelo elegido) períodos suficientemente cortos, como para realizar un análisis confiable, siendo aceptable adoptar 2 minutos, sabiendo que para cada período se almacena la media de velocidad, la media de dirección y la velocidad máxima instantánea, denominada ráfaga máxima en el período. Entonces, los datos de base almacenados en cada estación son: - Velocidad media en el período en la estación (vmpe) [m/s] – Tiempo real [minutos del período/hora/día/mes/año]. - Velocidad máxima instantánea en el período [m/s] – tiempo [minuto/hora/día/mes/año]; - Dirección del viento [grados/minutos], respecto del Norte o ubicación de la dirección en el cuadrante de viento subdividido (p. ej. O-SO) – tiempo [minutos del período/hora/día/mes/año]. Para toda la región, puede efectuarse un análisis estadístico de los datos de todas las estaciones, determinando para cada período, los parámetros más significativos (máximo valor, mínimo valor, media, frecuencia relativa de cada valor, frecuencia acumulada, mediana, desviación estándar, etc.). Así, utilizando los datos de velocidad media en cada período, para cada estación de medición, se calcula el promedio para toda la región; luego, con los promedios para todos los períodos analizados, para el lapso de tiempo considerado (por ejemplo un año), puede confeccionarse un gráfico vmpr [m/s] (velocidad media en el período en toda la región) – t [hs] (Figura 1), similar al que se realiza para cada estación, cuando se realiza un estudio convencional (4),. Figura 1: Velocidad media periódica del viento en función del tiempo, para una región, determinada a partir de todas las estaciones de medición. A partir de los datos con los que se obtiene el gráfico de la Figura 1, podremos determinar la frecuencia de rangos de vmpr y graficar el histograma frecuencia – rango de vmpr, al cual podremos transformar en una función de distribución de frecuencia de valores promedio de velocidades medias en el período para la región, expuestos en la Figura 2; podrá observarse en esta figura, muy probablemente, frecuencias nulas en los rangos inferiores de velocidades medias promedio en la región. Asimismo, la función de distribución que se ajuste adecuadamente al histograma de frecuencias, seguramente no será ni la de Weibull ni la de Rayleigh, debiendo realizarse un análisis de las distintas funciones estadísticas estudiadas, a fin de elegir una conveniente. Figura 2: Histograma de frecuencia de valores promedio de velocidades medias periódicas medidas para una región y función de distribución de frecuencia de esos valores. Este histograma y la función de distribución de frecuencias pueden expresarse también en términos frecuencia de potencia media del período: Frecuencia[%] – Rango de potencias [W/m2] . En este caso, cada valor de velocidad media del período, se transforma en potencia media del período aplicando la formula P = ½ ρ A v3. Con este análisis se puede conocer para toda una región, la productividad energética de un parque eólico que la abarque por completo, la cantidad de tiempo en que todos los aerogeneradores estarán parados por bajas o altas velocidades de viento y la función de distribución de potencias obtenidas a lo largo del año. La Figura 3 representada lo expuesto; en ella, el autor supone que no habrá ningún momento de productividad nula del parque regional, tanto por altas como por bajas velocidades de viento. Seguramente, la función de distribución de potencias obtenida para la región, será más aplanada que cualquiera de las correspondientes a una estación. Esto significa que, disponiendo convenientemente los parques en una región extensa, podremos disminuir los efectos de la variabilidad del recurso en períodos cortos (minutos, horas y días). Figura 3: Funcionamiento del parque eólico en una región. En consecuencia, analizada de esta manera, la confiabilidad de un parque extenso en la Patagonia será mucho mayor que la que se determine utilizando las funciones de distribución de potencias obtenidas para cada estación por separado. Los mapas eólicos, obtenidos a partir de mediciones o a partir de modelos (4), (8), (9), deberían ser complementados con los resultados del análisis que aquí se propone. Siguiendo la metodología expuesta, el autor propone iniciar el estudio en dos sectores extensos ventosos: uno en correspondencia con la región costera de las provincias de Santa Cruz y Chubut, hasta unos 50 km hacia el continente y otro que abarque la Gran Altiplanicie central, en la provincia de Santa Cruz (Figura 4). Figura 4: Sector de estudio inicial de viento propuesto para las provincias del Chubut y Santa Cruz. 4. EL ALMACENAMIENTO DE LA ENERGÍA EÓLICA 4.1. Generalidades En el ámbito de quienes trabajan en energía eléctrica, la energía eólica es considerada de mala calidad, debido a la variabilidad del recurso en el tiempo. Las variaciones de alta frecuencia, del orden de escasos segundos o menos, provocan defectos notorios en la calidad de potencia tales como el parpadeo, armónicas, etc., mientras que los de baja frecuencia imponen el uso de otras fuentes para cubrir faltantes (5). Teniendo en cuenta lo anterior, se analiza en forma expeditiva, la posibilidad de combinar la generación eólica con la generación hidráulica, almacenando gran parte de la energía eólica producida, en centrales hidroeléctricas de acumulación por bombeo; se logrará así posibilitar la generación de energía eléctrica limpia, en forma eficiente, en grandes cantidades y con calidad de potencia controlada. Podrá complementarse esta forma de almacenamiento con la producción de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua, utilizando la energía eólica como fuente. La posibilidad realizar centrales de acumulación por bombeo, depende principalmente de la disponibilidad del recurso eólico y de agua para bombeo en la región de implantación. En la Figura 5 (extraída del libro La Energía Eólica, Tecnología e historia, de Cadiz Deleito, Ed. H. Blume) (6), se observa el esquema de este tipo de aprovechamiento. Figura 5: Esquema de almacenamiento de energía eólica mediante el bombeo de agua y posterior aprovechamiento hidroeléctrico. 4.2. Posibles Aprovechamientos con centrales de bombeo en el país En nuestro país, numerosos cursos de agua y lagos naturales y artificiales, presentan condiciones que son favorables para este tipo de emprendimientos. Asimismo, existen posibles emplazamientos de nuevos reservorios. Entre las posibles localizaciones de aprovechamientos combinados cabe mencionar en primer lugar, a las provincias de Santa Cruz y Chubut, por cuanto para ambas se conoce la bondad del recurso eólico y cuentan con cursos de agua, reservorios naturales y artificiales y condiciones aptas para nuevos reservorios, que resultan útiles para la construcción de aprovechamientos combinados. El autor realizó un trabajo (3) que plantea la realización de dos centrales hidroeléctricas de acumulación por bombeo, una de 5000 MW ubicada entre los lagos Viedma y Argentino y otra, también de 5000 MW, entre un embalse a construir y el lago Argentino. Podrá instalarse además, una central de 1000 MW. En estos aprovechamientos, no se trata de aprovechar el recurso hidráulico con algún grado de empuntamiento, sino de tener la posibilidad de almacenar agua y producir grandes cantidades de energía, muy superiores a la que ofrece el recurso hídrico. Es así, que con las centrales planteadas, se podrá obtener una producción energética del orden de 45.000 GWh-año. Para completar este aprovechamiento combinado, habrá que instalar un gran parque eólico de unos 10.000 MW. Los lagos Viedma y Argentino son de similares características; ambos poseen una superficie del orden de 1600 km 2, la distancia mínima entre ellos es de unos 30 km, con un desnivel de unos 55 m, lo que permite la construcción de centrales de aún mucho mayor potencia que la planteada. Proyectos similares pueden estudiarse en las provincias del Chubut, Neuquén y Río Negro. Una posibilidad concreta es la de adaptar los aprovechamientos existentes sobre la cuenca del río Limay, convirtiéndolos en centrales de acumulación por bombeo, lo cual permitirá incrementar fuertemente la potencia instalada en los mismos. Igualmente, puede estudiarse la repotenciación del Complejo Hidroeléctrico Río Grande Nº I en la provincia de Córdoba, combinándolo con el aprovechamiento del recurso eólico existente en la cumbre de las sierras de Los Comechingones, cercana a dicho complejo. Por lo expuesto, el autor considera de sumo interés el realizar un inventario de los posibles aprovechamientos combinados. 5. DESARROLLO DE AEROGENERADORES DE EJE VERTICAL Hasta mediados de la década del 90, los desarrollos de aerogeneradores de eje vertical competían con los de eje horizontal, llegándose a potencias de hasta 1 MW. En nuestro país hubo desarrollos de aerogeneradores de eje vertical de baja potencia, en la década de los 80. Los aerogeneradores de eje horizontal tienen ventajas y desventajas técnicas y económicas con relación a los de eje vertical. Las mismas, se traducen en diferencias económicas que deben ser evaluadas detalladamente y que en su conjunto no dan, a criterio del autor, diferencias sustanciales que a priori permitan elegir entre una tecnología o la otra. Sin embargo, en nuestro país, en la región patagónica, se muestra en principio, como conveniente el simplificar las tareas de reparación y mantenimiento. También se menciona que, a diferencia de Europa, en donde los vientos son de menor magnitud y abarcan menor superficie que en nuestra Patagonia, aquí no resulta indispensable captar la mayor cantidad de energía por unidad de superficie barrida por el rotor. El costo de la energía calculado teniendo en cuenta todos los insumos y la vida útil del equipamiento, definirá en definitiva cual es la alternativa más conveniente, pero desde ya se aprecia que no habrá diferencias sustanciales, aunque a criterio del autor la menor incidencia en los costos de reparación y mantenimiento, es un factor importante. Si las hay, comparando el costo de la energía en Europa Vs. la Patagonia, adoptando para Europa aerogeneradores de eje horizontal y para la Patagonia aerogeneradores de eje vertical. Considerando vientos de diseño en Europa de 7,5 m/s y de 10 m/s en la Patagonia, comparando los costos de los distintos insumos, resulta más rentable el aerogenerador de eje vertical en la Patagonia por el mayor potencial eólico. Esto es debido a la gran incidencia que tiene la magnitud del recurso en el costo de la energía con respecto a las demás variables (principalmente al coeficiente de potencia, y la vida útil). Por ello, el autor considera de interés el investigar y desarrollar un aerogenerador de las características mencionadas. De los aerogeneradores de eje vertical que se desarrollaron, hay dos tipos que parecen los más eficientes: los Darrieus y los del Giro – Mill. De este último, una versión de gran potencia es el que propone desarrollar el autor; tendrá las dimensiones aproximadas mostradas en el croquis de la Figura 6. (6), (7). Figura 6: Croquis de vista de aerogenerador Giro – Mill a desarrollar. P> 2 MW. 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El recurso energético eólico de la Argentina es tan grande, que debe buscarse la manera de aprovecharlo masivamente. No se justifica que en la Argentina haya menos de 40 MW instalados, cuando en los países desarrollados, en donde el recurso es muy inferior, se instalan en conjunto esa cantidad en pocos días. Hay soluciones técnicas que permiten resolver los problemas de calidad de potencia de la generación eólica. En la Argentina una de las posibles soluciones de corto y mediano plazo, es el almacenamiento de la energía mediante centrales hidroeléctricas de acumulación por bombeo. Estas centrales son técnicamente factibles, debido a la existencia de recursos hídricos y de reservorios, naturales y artificiales. A largo plazo, la energía eólica servirá para la producción masiva de hidrógeno. Debe realizarse un inventario de los posibles emprendimientos y una evaluación técnica - económica para determinar su factibilidad, para luego desarrollar los más convenientes. Si una parte importante de la generación eólica se dispone para almacenar energía, se justifica para este fin el desarrollo de aerogeneradores de gran potencia, con escaso control de calidad de potencia, más simples, menos costosos y menos eficientes que los que actualmente están en el mercado. En este sentido se recomienda el desarrollo de aerogeneradores de eje vertical. La legislación actual en la Argentina no alcanza para promover el uso de la energía eólica. Debe adecuarse el marco regulatorio eléctrico dando un fuerte apoyo a la misma, similar al que rige en países tales como Alemania y España. REFERENCIAS 1) Secretaría de Energía de la Nación, (2006). Buenos Aires. 2) Compañía Administradora del Mercado Mayorista Eléctrico S.A. (CAMMESA). (2006). Informes Estadísticos. Perez. www.cammesa.com.ar. 3) Covas, Enrique A.,(2006). El Aprovechamiento masivo del Recurso Energético Eólico de la Argentina. Posibilidad de Almacenamiento de la Energía Mediante Centrales Hidroeléctricas de Acumulación por Bombeo. Aspectos Ambientales. Inclusión en el Plan Energético Nacional. Necesidad de Adecuación del Marco regulatorio Eléctrico. IV CAP y AH. Posadas, Mnes. 4) BARROS, V., (1986).- “Atlas del Potencial Eólico del Sur Argentino”. CREE (Centro Regional de Energía Eólica). Centro Nacional Patagónico. Chubut. 5) DE BATTISTA, H. 2000 .“Control de la Calidad de Potencia en Sistemas de Conversión de Energía Eólica”. Tesis Presentada para el Grado de Doctor en Ingeniería. La Plata. 6) CÁDIZ DELEITO, J.C., (1986).-. “La Energía Eólica. Tecnología e Historia”. Ed. H. Blume. España. 7) BASTIANON, R., (1994).- “Energía del Viento y Diseño de Turbinas Eólicas”. Tiempo de Cultura Ediciones. Bs. As. 8) MATTIO, H. FRANCO A., (2001).- “Mapa Eólico del Chubut”. CREE (Centro Regional de Energía Eólica). Pcia. del Chubut. 9) Faiella, L. M., Gesino, A.J. “Gestión de Variables Meteorológicas y Mapeo Eólico”.2004. www.argentinaeolica.org.ar.