Ing. Oswaldo Padilla VargasIngeniería Socio Ambiental 2/2019 ENERGÍA EÓLICA En la cultura griega han nacido diversos tipos de leyendas y mitologías. El.

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1 Ing. Oswaldo Padilla VargasIngeniería Socio Ambiental 2/2019 ENERGÍA EÓLICA En la cultura griega han nacido diversos tipos de leyendas y mitologías. El término proviene del latín, que significa “perteneciente o relativo a Eolo”, dios de los vientos en la mitología griega. La energía eólica es una de las formas de energía más antiguas usadas por la humanidad. Para la humanidad, este movimiento, ha significado un recurso natural energético de gran importancia, y su explotación ha sido realizada desde pasados muy remotos, sea para mover en movimiento medios de transporte, bombear agua, moler granos, etc. En el año 3.000 antes de cristo, en el antiguo Egipto, fueron los primeros barcos veleros donde se hicieron el primer uso generalizado del viento como fuente de energía. La primera información con que se cuenta sobre la construcción de un molino de viento data del siglo VII (200 años antes de Cristo) y se localizaron en Sistán, en la actual Afganistán (antigua Persia). Aquellos molinos, de eje vertical y con seis u ocho velas de tela, se usaban para moler grano o para bombear agua. En Europa se construyeron los primeros molinos en el siglo XII en Francia e Inglaterra. En 1802, Lord Kelvin tuvo la idea de acoplar un generador eléctrico a una máquina que aprovechara el viento. Fue el antecedente del aerogenerador, que no se pudo construir hasta que en 1850 se inventó la dinamo. El inventor Charles F. Brush creó en 1888 la primera turbina eólica (máquina considerada actualmente como el primer aerogenerador para generar electricidad). Las dimensiones eran para aquella enormes (diámetro de rotor 17 metros y 144 hojas de rotor de madera de cedro. La potencia de este aerogenerador era solamente de 12 kW. En 1990, Dinamarca inició un programa para investigar esta energía, por lo que, la generación de energía eléctrica a partir de la energía eólica tuvo lugar en Dinamarca cuando se realizaron los primeros experimentos con aerogeneradores, llegando a producir hasta 200 KW. Ya en 1992, Poul la Cour (considerado el padre de la energía eólica moderna), puso en marcha la primera máquina diseñada específicamente para generar electricidad a partir de la energía. Energías AlternativasEnergía Eólica

2 Ing. Oswaldo Padilla VargasIngeniería Socio Ambiental 2/2019 China, Estados Unidos, Alemania, India y España son los países que más aprovechan la fuerza del viento para producir electricidad. Alemania, tiene casi 21.000 megavatios eólicos instalados, en España y los Estados Unidos aproximadamente 12.000 megavatios cada uno, y la Argentina, posee los mejores vientos continentales del planeta, solo 27 megavatios eólicos instalados. ¿Qué es la Energía Eólica? La energía eólica es una de las energías renovables con más potencia instalada en el mundo y la que ha vivido un crecimiento más rápido. La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio, respetuosa con el medio ambiente y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). La energía eólica es uno de los medios más eficientes para proteger los recursos naturales y el equilibrio ecológico. La energía eólica, cuya fuente de energía es la fuerza del viento, es decir, la utilización de la presión del viento como fuente de energía. La energía eólica es la que se obtiene del viento (aire en movimiento) para generar electricidad → La fuerza del viento, es decir, la energía cinética contenida en el movimiento de las corrientes de aire (en realidad la energía cinética del aire en movimiento), mueve las aspas o palas (hélices) y hace girarlas alrededor del rotor. El viento al mover las aspas produce energía mecánica. Esta energía mecánica de rotación es convertida posteriormente energía eléctrica por un generador. La energía eólica es la energía que obtenemos gracias al viento. La energía eólica sirve para transformar el viento en energía eléctrica (electricidad). Esto es gracias a los aerogeneradores. El aparato que recibe y transforma el viento en energía se llama aerogenerador o turbina eólica (turbina de viento). Los aerogeneradores son la forma que más se utiliza en la actualidad de la energía eólica. Estos dispositivos parecen molinos (pero con mucha más Energías AlternativasEnergía Eólica

3 Ing. Oswaldo Padilla VargasIngeniería Socio Ambiental 2/2019 altura) de tres aspas (hélices), las cuales son movidas por la energía cinética del viento. La energía mecánica producida por el movimiento de rotación de las aspas es transformada por un generador en energía eléctrica La cantidad de energía eléctrica que se puede obtener está en función de la cantidad de viento que sopla, y de la potencia y tamaño del aerogenerador (a mayor longitud de las aspas, se obtiene más potencia y por lo tanto más energía). El tamaño de estos suele variar, van desde los 400 W de potencia y un diámetro de 3 metros utilizados para el uso domestico de las casas, hasta los aerogeneradores comerciales que llegan a tener una potencia de 2,5 MW y 80 metros de diámetro de aspas o palas (hélices). Los grandes aerogeneradores modernos tienen rotores de más de 90 metros de diámetro, mientras que las más pequeñas, que son las que se instalan habitualmente en países en vías de desarrollo, tienen rotores de unos 30 metros de diámetro. Las torres tienen entre 25 y 100 metros de altura. VESTAS V164 es el aerogenerador más grande y potente del mundo. El primer prototipo fue instalado en Dinamarca. Tiene una capacidad nominal de 8 Mega Watts. Tiene una altura de 220 metros y sus palas miden 80 metros cada una. Rompió el récord de producción de energía de una turbina en 24 horas. La turbina produjo 192.000 KW/h en un periodo de 24 horas, lo suficiente para alimentar 135.000 hogares, o 20 años de energía en un solo hogar. La máxima energía que una turbina puede obtener teóricamente del viento que lo empuja es del 60%. Los aerogeneradores que generan electricidad tienen que funcionar a velocidades elevadas, pero no necesitan una gran fuerza para girar. Estas máquinas tienen generalmente 3 aspas o palas y giran a una velocidad constante de entre 15 y 40 revoluciones por minuto. Un aerogenerador moderno produce electricidad entre el 70 y el 85% del tiempo, pero genera diferentes resultados en función de la velocidad del viento. Energías AlternativasEnergía Eólica

4 Ing. Oswaldo Padilla VargasIngeniería Socio Ambiental 2/2019 Los aerogeneradores comienzan a operar cuando el viento alcanza una velocidad de 3 a 4 m/s (14 k/h), llegando a su potencia nominal con vientos de unos 13 a 14 m/s (50 k/h). El límite máximo son 25 m/s (90 k/h) cuando el viento es muy fuerte. En este caso, los aerogeneradores se paran por cuestiones de seguridad para evitar daños en el generador, el sistema cuenta con un freno aerodinámico que varía la posición de las aspas y de la barquilla (cápsula donde se encuentra la maquinaria, en el extremo superior de la torre) hasta detener por completo el rotor. Las torres suelen tener forma de tubo y están hechas de acero, generalmente pintado de gris. Algunos son de hormigón. Las aspas o palas están hechas de fibra de vidrio con un corazón de madera. Son de color gris claro porque es lo que menos se ve en la mayoría de condiciones de luz. El acabado es mate, para reducir los reflejos. Los aerogeneradores suelen situarse en tierra, aunque en otros países también hay aerogeneradores en el mar, llamados “aerogeneradores offshore”. Por lo general los aerogeneradores suelen tener una vida media que es de 20 hasta los 25 años. La totalidad de las funciones críticas del aerogenerador se encuentran monitorizadas y pasan a estar supervisadas desde la subestación y el centro de control para poder así, detectar y solucionar todo tipo de incidencia. Estas grandes máquinas (aerogeneradores) se agrupan en los llamados “Parques Eólicos”. Un parque eólico es una agrupación de aerogeneradores que transforman la energía eólica en energía eléctrica. En parques eólicos los aerogeneradores suelen espaciarse entre 150 y 300 metros los unos de los otros. El numero de aerogeneradores que componen un parque es muy variable, depende fundamentalmente de la superficie disponible y de las características del viento en el emplazamiento. Un parque eólico formado por 20 aerogeneradores puede ocupar una superficie de 1 km 2, pero solo se ocupa el 1% del territorio. El resto del espacio se puede dedicar a los otros Energías AlternativasEnergía Eólica

5 Ing. Oswaldo Padilla VargasIngeniería Socio Ambiental 2/2019 usos que ya son preexistentes, como la agricultura, la ganadería o, simplemente, como hábitat natural. De todo un proyecto eólico, la inversión en el equipamiento de aerogeneradores representa hasta el 75%, mientras que la obra civil representa el 10%, la instalación eléctrica es de 6%, los servicios llegan a 2%, la administración a 1% y los estudios a un 10%. ¿Cómo produce electricidad un aerogenerador? La manera más simple de explicarlo, es decir, que una turbina funciona justo al contrario que un ventilador. Mientras el ventilador utiliza electricidad para hacer viento, la turbina utiliza el viento para hacer electricidad. Casi todos los aerogeneradores están formados por aspas o palas que rotan alrededor de un centro horizontal (rotor). El rotor está conectado a una caja de cambios y a un generador, que están situados en el interior de la góndola. La mayoría de las turbinas cuentan con 3 aspas o palas que encaran hacia el viento. El viento hace rodar las palas, que hacen girar el eje, y esto se conecta al generador, que convierte el movimiento en electricidad. Un generador es, pues, una máquina que produce energía eléctrica a partir de energía eléctrica a partir de energía mecánica. ¡justo lo contrario que un motor eléctrico! Procedimiento del funcionamiento: En primer lugar, se hace un estudio del territorio para localizar lugares que suelen tener mucha influencia del viento. Antes de montar un parque eólico se estudia el viento en el emplazamiento elegido durante un tiempo que suele ser superior a 1 año. Para ello se instalan veletas y anemómetros. Con los datos recogidos se traza una rosa de los vientos que indica las direcciones predominantes del viento y su velocidad. Cuando se tiene el sitio indicado se instalan los aerogeneradores o turbinas eólicas las cuales tienen un gran mástil. Energías AlternativasEnergía Eólica

6 Ing. Oswaldo Padilla VargasIngeniería Socio Ambiental 2/2019 La torre o mástil de un aerogenerador es el componente estructural sobre el que se fija el rotor y la góndola. Además, soporta toda la fuerza del viento. La clave esta en su diseño y composición, ya que ha de ser capaz de aguantar el peso de hasta 15 elefantes. La torre o mástil sostiene la turbina eólica (aerogenerador). Debe ser capaz de resistir rayos, vientos extremos, granizo y formación de hielo. Generalmente en un aerogenerador, las torres son cónicas tubulares de acero, ya que las hacen más seguras y cómodas para que acceda el personal del mantenimiento y reparación. Además, debe cumplir con cierta altura favorable (de 40 m a 80 m). Mientras más alta sea la torre, se aprovechan mejor la influencia de los vientos. Las aspas o palas (hélices) son unas de las partes más importantes (por no decir la más importante) ya que son las encargadas de recoger la energía del viento, convertir el movimiento lineal de este en un movimiento de rotación. Las aspas de un aerogenerador por lo general giran entre 12 y 20 revoluciones por minuto (o vueltas por minuto). El diseño de las aspas es muy parecido al del ala de un avión. Las aspas están construidas de la siguiente manera: una estructura central resistente más dos cubiertas exteriores que forman el perfil aerodinámico, de forma alabeada y anchura decreciente hacia la punta en dirección axial. Las aspas deben tener rigidez, peso bajo (ligeras y flexibles), resistencia estructural, resistencia a fatiga, resistencia a agentes medioambientales (erosión, corrosión). Los materiales más empleados en su construcción son: aleaciones de acero y aluminio; fibra de vidrio reforzada con resina poliéster; fibra de vidrio reforzada con resina epoxy; fibra de carbono o aramidas; mixtos fibra de vidrio – fibra de carbono. Los aerogeneradores más utilizados son aquellos que cuentan con tres aspas moviéndose respecto a un eje horizontal. Esta es la opción más eficiente desde le punto de vista técnico: a menos aspas, más equilibrio. Otro aspecto en consideración es que, a más aspas, mayor costo económico. El elemento de unión entre las aspas es conocido como “buje” en la cual hay enganchadas 3 aspas o palas (tripala) con diseño aerodinámico. Estas aspas, conectadas a un rotor, están preparadas para moverse con el viento del lugar. Energías AlternativasEnergía Eólica

7 Ing. Oswaldo Padilla VargasIngeniería Socio Ambiental 2/2019 El rotor es la parte del aerogenerador que está compuesta por las aspas, el buje y el mecanismo de cambio de paso de aspa. El rotor es el que transforma la energía cinética del viento en energía mecánica. está conectado al eje principal que gira dentro de la góndola. La velocidad del rotor puede variar según la velocidad del viento. Cada aerogenerador lleva una veleta en la parte superior que indica la dirección del viento. Ello le permite girar sobre la torre y orientarse automáticamente gracias a un sistema o mecanismo de orientación a través de un motor eléctrico que recibe señales de la veleta y mueve la turbina en posición perpendicular contra el viento (las aspas requieren un determinado ángulo del viento). Este mecanismo es operado por el controlador electrónico que siente la dirección del viento que usa la veleta. El controlador electrónico contiene una computadora que monitorea la condición de la turbina eólica y controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier funcionamiento defectuoso, detiene la turbina y llama automáticamente a la computadora del operador de la turbina vía un nexo de modem de teléfono (opcionalmente). También hay un anemómetro para medir la velocidad del viento. La caja o góndola, es la parte más grande que hay en lo alto de la torre, donde se concentran todos los componentes mecánicos y la mayor parte de los componentes eléctricos. Es el conjunto de bastidor y carcasa del aerogenerador. El bastidor es una pieza sobre la que se acoplan los elementos mecánicos principales (el rotor, el multiplicador, el generador) del aerogenerador y que está situada sobre la torre o mástil. Este bastidor está protegido por una carcasa, generalmente de fibra de vidrio y poliéster, reforzada con perfiles de acero inoxidable. El multiplicador, es un conjunto de engranajes que se comunica al eje que hace girar al generador. Su función es transformar la baja velocidad a la que gira el eje del rotor (entre 14, 22 a 30 vueltas por minuto) a una velocidad hasta 100 veces más elevada (1500 vueltas por minuto). El generador transforma la energía mecánica procedente del rotor en energía eléctrica. La energía producida en el generador como corriente continua es conducida por el interior de la torre hasta la base de la misma (parte inferior del mástil). Allí, un convertidor transforma la corriente continua en corriente alterna, que es la que utilizamos normalmente. Energías AlternativasEnergía Eólica

8 Ing. Oswaldo Padilla VargasIngeniería Socio Ambiental 2/2019 Y un transformador eleva la tensión de esa corriente para transportarla por el interior del parque por unos cables enterrados en el suelo juntándola con la obtenida del resto de molinos aerogeneradores. Toda la energía recogida, acaba en una sub estación eléctrica. En la sub estación se incrementa nuevamente la tensión para poder incorporarla a la red eléctrica y transportar la electricidad hasta los hogares y puntos de consumo (hogares, comercio, etc.). Energía Eólica en Bolivia Bolivia se ubica en el octavo lugar en potencial de energía eólica en América Latina y El Caribe. De acuerdo a la capacidad eólica por país, México encabeza la lista, seguido de Brasil, Argentina, Chile. Uruguay, Perú y Colombia. Bolivia se encuentra en octavo lugar delante de Ecuador, Panamá, Guatemala, Costa Rica, Honduras, El Salvador, Nicaragua, Jamaica y República Dominicana. En enero del año 2014, el gobierno nacional a través de la Empresa Nacional de Electricidad Bolivia (Ende Corporación) y su filial ENDE Corani (dependiente y representada, por ENDE), funcionó la primera Planta Eólica de Bolivia en la comunidad de Qollpana, ubicada en el municipio de Pocona de la provincia Carrasco del departamento de Cochabamba. El Parque Eólico Qollpana comenzó aportando una potencia instalada de 3 MW, a través del montaje de dos aerogeneradores que medían 40 metros de longitud cada una. Actualmente, Qollpana en sus dos fases (Qollpana-Fase II), alcanza una potencia instalada total de 27 megavatios (MW) y se instalaron en toda la zona ocho aerogeneradores de 78,3 metros de altura, cuyas aspas son movidas con vientos que alcanzan más de 50 k/h. Se tiene proyectado la ejecución del Proyecto Eólico Qollpana-Fase III, con 17 aerogeneradores que permitirá incrementar 54 MW adicionales al Parque Eólico de Qollpana, consiguiendo un total de 81 MW de energía en Cochabamba para Bolivia. Por lo que pronto se tiene previsto exportar energía a países vecinos, aparte de Brasil y Argentina, con quienes ya se tienen considerables avances. Además, se tienen proyectadas para este año 2019 con la empresa ejecutora ENDE Corporación, las plantas eólicas Warnes, Cotoca y El Dorado en Santa Cruz, y la Ventolera en Tarija. Energías AlternativasEnergía Eólica

9 Ing. Oswaldo Padilla VargasIngeniería Socio Ambiental 2/2019 El parque eólico San Julián (etapa del proyecto: proceso de adjudicación para la adjudicación) se emplazará en el municipio de Cotoca, contará con 11 aerogeneradores que producirán unitariamente 3,6 MW, totalizando 39,6 MW. El parque eólico de El Dorado, se construirá en el municipio de Cabezas (etapa del proyecto: proceso de adjudicación para la licitación) con 15 aerogeneradores y producirán unitariamente 3,6 MW, totalizando 54 MW de potencia. El parque eólico Warnes en el municipio del mismo nombre (etapa del proyecto: proceso de adjudicación para la construcción), con 4 aerogeneradores y producirán unitariamente 3,6 MW, totalizando14,4 MW de potencia. El parque eólico La Ventolera, a 25 km al sud de la ciudad de Tarija (etapa del proyecto: gestión de financiamiento), con 8 aerogeneradores y producirán unitariamente 3 MW, totalizando 24 MW de potencia. Ejemplos de energía eólica: ➢ Aerogeneradores: son la forma que más se utiliza en la actualidad de la energía eólica. Estos dispositivos parecen molinos (pero de mucha mayor altura) de tres aspas, las cuales son movidas por la energía cinética del viento. El movimiento de estas aspas es transformado por un generador en energía eléctrica. Por el alto costo de su construcción y tecnología. No se utilizan en viviendas individuales, sino en parques eólicos que permiten integrar la energía a redes regionales o nacionales. Los aerogeneradores que se utilizan para casas particulares se denominan “microeólica”, pueden usarse de forma independiente (en los hogares alejados de redes eléctricas) o bien unirse a la red eléctrica para disminuir los gastos eléctricos. Molinos de viento: A diferencia de los aerogeneradores, los molinos son más pequeños y no se utilizan para generar energía eléctrica, sino para moler granos (como lo indica su nombre) convirtiéndolos en harina. Molinos de bombeo: Se llaman “molinos” por su parecido con los molinos de viento, pero su función no es moler, sino extraer agua subterránea hacia la superficie. El movimiento de sus aspas, gracias a un conjunto de engranajes, se convierte en un movimiento de vaivén que permite extraer el agua. Veleros: Son embarcaciones que utilizan velas para captar la energía del viento y utilizarla para desplazarse. ➢ ➢ ➢ Energías AlternativasEnergía Eólica

10 Ing. Oswaldo Padilla VargasIngeniería Socio Ambiental 2/2019 Ventajas de la energía eólica: ➢➢➢➢ Es un tipo de energía inagotable. Es una energía limpia, dado que no recurre a la combustión (no produce emisiones atmosféricas) y no genera residuos contaminantes. No contribuye al agotamiento de reservas de combustibles fósiles. Puede instalarse en espacios no utilizados para otras funciones, como las zonas desérticas o no cultivables, o inclusive en el mar. Genera una gran cantidad de fuentes de trabajo. Su instalación en rápida, no superando los 9 meses. La energía electica obtenida puede integrarse a la red eléctrica, disminuyendo el uso de otras formas de energía. Combinada con otras formas de energía (por ejemplo, la energía solar) ofrece una buena fuente de energía eléctrica a viviendas ubicadas en zonas alejadas de redes de energía. Posibilidad de construir parques eólicos en el mar, donde el viento es más fuerte y más constante. ➢➢➢➢ ➢➢➢➢➢➢ ➢ ➢ Desventajas de la energía eólica: ➢ Debido a su inconstancia del viento (ya que no siempre hay viento; depende de vientos variables). Al ser una energía menos “predecible” no puede ser la única fuente de energía eléctrica. Es intermitente y discontinua (su intensidad y dirección cambian constantemente). Para poder usarla es importante que haya zonas con vientos constantes e intensos. Dependencia del recurso viento → Se produce energía cuando hay viento, y no cuando se necesita realmente. Necesita de otras centrales de respaldo (apoyo), cuando se necesita de energía y no se dispone de viento en ese momento. Reducciones bruscas de tensión que requieren que los aerogeneradores se desconecten de la red de energía para evitar daños (pérdidas de energía). Los aerogeneradores no pueden funcionar cuando el viento alcanza una velocidad superior al máximo de potencia del artefacto. ➢ ➢ ➢ ➢ Energías AlternativasEnergía Eólica

11 Ing. Oswaldo Padilla VargasIngeniería Socio Ambiental 2/2019 ➢➢➢➢ Si se combinan con centrales térmicas se emite dióxido de carbono. Otro problema mas frecuente que presentan los aerogeneradores es su gran tamaño, así como sus vibraciones y ruido que provocan (por el giro del rotor). La energía eléctrica producida no es almacenable → es instantáneamente consumida o de lo contrario se tienen perdidas de energía (no se pueden producir y consumir más tarde). Los parques eólicos producen un impacto natural muchas veces en zonas protegidas. Sin embargo, este impacto es mínimo. Son en general extensivas en terreno (parques eólicos requieren de grandes espacios disponibles). Pueden afectar los movimientos de aves migratorias, que aprovechan las mismas corrientes que los aerogeneradores. Los aerogeneradores representan un alto peligro para las aves migratorias que pueden no ver las hélices o aspas de las turbinas eólicas y estrellarse o colisionar con ellas (las turbinas pueden matar aves). Impacto visual: cuando el sol se encuentra cerca del horizonte, las aspas generan sombras alternadas, provocando un parpadeo llamado “efecto discoteca”. Esta alternancia de luz y sombra aumenta los niveles de estrés en la población. Impacto paisajístico, al generar una alta modificación en el paisaje. Generan residuos de lubricantes → Requieren de aceites lubricantes para engrasar las aspas. Alto costo de instalación. ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢➢➢➢ ➢ Energías AlternativasEnergía Eólica