Densidad De Energia Electrica

[Miina Hunker]

ObjetivoEvaluar el potencial energtico del viento en Apan, Hidalgo. Metodologa: Se emplean dos tipos de anlisis: el anlisis tcnico y el anlisis financiero. Para el estudio tcnico se emplea la funcin de densidad de probabilidad Weibull. As mismo, para el anlisis financiero se evalan los siguientes parmetros: valor presente neto, la tasa interna de rendimiento, el Costo Nivelado de la Electricidad, el perodo de recuperacin y la razn costo/beneficio. Resultados: Se encontr que de los doce aerogeneradores considerados solo ocho son tcnicamente viables y ninguno econmicamente. Recomendaciones: Se recomienda no hacer la instalacin de aerogeneradores comerciales. Limitaciones e implicaciones: La limitacin de la funcin de densidad de probabilidad de Weibull es que no representa correctamente las probabilidades de la velocidad del viento cuando esta es muy baja o cercana a cero. Orignalidad: De acuerdo a la revisin de la literatura este estudio es la primera investigacin para el caso de Apan, Hidalgo que analiza el potencial energtico del viento y su factibilidad financiera. Conclusiones: La evidencia sugiere que el potencial del viento es adecuado para aplicaciones que no estn conectadas a la red elctrica e insuficiente para la produccin de energa a escala comercial.

El consumo mundial de energa primaria en 2016 fue de 13276.3 millones de toneladas equivalentes de petrleo, siendo las principales fuentes de energa: el petrleo con 33 %, el carbn con 28 % y el gas natural con 24 %. Por otro lado, solo el 3 % de la energa primaria a nivel mundial proviene de fuentes renovables (BP 2017). El aumento de la demanda de energa a nivel mundial ser 48 % mayor en el ao 2040 de acuerdo a la agencia internacional de energa (EIA 2016). Una de las formas de energa ms demandada alrededor del mundo es la energa elctrica. La generacin de energa elctrica crecer cerca de 69 % para el ao 2040. Los combustibles fsiles en la actualidad representan un 67 % del total de la generacin de electricidad, mientras que la energa renovable representa solo un 22 %. En Mxico el 57 % de la energa elctrica se genera empleando gas natural, el 11.1 % utiliza carbn como fuente de energa y el 8.8 % utiliza combustibles fsiles mientras que solo el 3 % de la energa elctrica en Mxico proviene de fuentes renovables (SENER 2015).

El uso de combustibles fsiles para producir energa ha generado preocupacin debido a temas como: reservas finitas, impactos ambientales como: el cambio climtico, lluvia acida y calentamiento global, incre- mentos en la demanda de electricidad e incrementos en su costo (Dabbaghiyan et al. 2016). Lo que vuelve extremadamente difcil para pases pobres y en desarrollo mantener un suministro adecuado de energa. Para poder superar este problema se explora el empleo de fuentes de energa renovables, las cuales son alternativas a los combustibles fsiles. Las principales ventajas de las fuentes de energa renovables de acuerdo al trabajo de Alamdari et al. (2012) son: sustentabilidad, se pueden implementar en cualquier lugar y son amigables con el medio ambiente.

El viento es originado debido a las diferencias del flujo natural del aire a travs del mar o sobre la superficie de la tierra. La rotacin de la tierra y las diferencias de temperatura son la causa del calentamiento y enfriamiento desigual de las distintas superficies de la tierra lo que causa que sople el viento. El calor proveniente del sol es recibido por reas de agua y tierra en diferentes cantidades, como resultado, el aire caliente asciende y el aire fro lo reemplaza causando vientos locales de acuerdo a Ellabban et al. (2014).

El viento se convierte en energa a travs del empleo de aerogeneradores, haciendo de la energa elica una de las fuentes de energa renovable ms importante de los ltimos tiempos, debido a sus ventajas. Entre estas ventajas estn: que es limpia, abundante, relativamente barata, interminable y ambientalmente benigna (Akpinar 2013). La investigacin en esta rea se centra en mejorar el conocimiento y las tecnologas para generar energa elica. El uso de la tecnologa del aerogenerador ha recibido mayor atencin y se ha desarrollado rpidamente en las ltimas dcadas. La energa elica es una de las fuentes de energa renovable ms eficiente, pero requiere un anlisis muy detallado de las caractersticas del viento de la regin seleccionada. Las caractersticas del viento como la funcin de densidad de probabilidad de la velocidad del viento y su direccin pueden tener grandes diferencias entre diferentes regiones aun cuando estas regiones se encuentren cerca.

Una investigacin completa de los datos de la velocidad, densidad y direccin del viento es de la mayor importancia para obtener estimados confiables del potencial del viento. Un requisito necesario para la investigacin del potencial del viento en cualquier locacin, es una funcin de distribucin estadstica adecuada para modelar los datos de la velocidad del viento de acuerdo al trabajo de Aien et al. (2014).

Existe una amplia gama de funciones de distribucin y la calidad del anlisis de la velocidad del viento depende de la capacidad de la funcin de densidad de probabilidad para describir la distribucin de frecuencia observada. Aunque existen muchos modelos potenciales de probabilidad para el anlisis de la distribucin, la distribucin Weibull es una de las ms usadas, adems de que es ampliamente aceptada y citada en la literatura del viento. Se considera un enfoque estndar debido a su precisin, simplicidad y flexibilidad de acuerdo a Fazelpour et al. (2017). Dicha funcin de distribucin est caracterizada por dos parmetros: forma y escala. El parmetro de escala controla el rango mientras que el parmetro de forma define la amplitud de la distribucin de los datos. Una distribucin ms amplia implica un parmetro de forma ms pequea y menor ser el valor mximo de la distribucin.

Mxico cuenta con un importante potencial de generacin de energa elctrica a travs del sol, el viento y la biomasa. Especficamente el potencial estimado es de 16351 gigawatt hora por ao (GWh/ao) para el sol, 19805 GWh/ao para el viento y 2396 GWh/ao de acuerdo a Prez-Denicia et al (2017). En Mxico en el ao 2016 se encontraban operando 1935 aerogeneradores con una capacidad de 3527 megawatts (MW) en 42 parques elicos. Y para el cierre de 2017 se haban instalado 4005 MW (AMDEE 2018). Los parques elicos con mayor capacidad instalada hasta el ao 2015 son operados por: Eurus S.A. de C.V. con una capacidad instalada de 250.52 MW el parque se ubica en Juchitn de Zaragoza, Oaxaca, Fuerza y Energa BII HIOXO, S.A. de C.V. con una capacidad instalada de 226.8MW el parque se ubica en Juchitn de Zaragoza, Oaxaca y Dominica Energa Limpia S.A. de C.V. con una capacidad instalada de 200MW el parque se ubica en Charcas, San Luis Potos de acuerdo a Prez-Denicia et al. (2017).

Las reas de la repblica mexicana con mayor potencial de viento son la pennsula de Baja California, la regin central, la costa del golfo, la pennsula de Yucatn y el Istmo de Tehuantepec de acuerdo a Cancino- Solrzano et al. (2011). Apan, Hidalgo se encuentra ubicado en la regin central de Mxico que de acuerdo a Hernandez Escobedo et al. (2010) puede llegar a generar hasta 10000 kilowatt (kW) por aerogenerador instalado por ao.

Algunos trabajos que se han realizado sobre los prospectos y el estado de la energa elica en Mxico son los de: Magar et al. (2018) ellos realizan un anlisis tcnico-econmico con restricciones socio-ecolgicas para la explotacin del viento mediante parques elicos fuera de la costa. La regin de estudio se localiza en el Golfo de California, entre Santa Rosala-Guaymas y el delta del ro Colorado. Proponen una capacidad tcnica instalada de 131 GW empleando aerogeneradores con una capacidad de 6 MW, cuando se considera el uso de las zonas de pesca, y de 52 GW cuando se toman en cuenta restricciones sociales y ecolgicas. La cifra de 52 GW es equivalente al 84 % de la produccin de energa en Mxico. Hernndez Escobedo et al. (2014) estudian el caso de cuatro estados del noroeste de Mxico, encuentran que para la mayor parte de estos estados se observa una velocidad del viento por encima de los 4.51 m/s, Hernndez Escobedo et al. (2011) encuentran que para explotar el potencial del viento se debe considerar una velocidad del viento mnima entre las 8:00 y 14:00 h. y una velocidad mxima cerca de las 24:00 h. En el trabajo de Cancino-Solrzano et al. (2011) encuentran que el rea con el mayor potencial del viento es el estado de Oaxaca y se localizan en la parte sur del Istmo de Tehuantepec donde la velocidad se observa en un rango de 7.3 a 7.7 m/s, mientras en las montaas del istmo la velocidad del viento es mayor a 8.5 m/s. En el trabajo de Hernndez-Escobedo et al. (2010) encuentran que Mxico tiene un potencial de ms de 1700 h tiles del viento por ao en prcticamente todo el pas con la excepcin del estado de Chiapas. En los estados de Puebla, Hidalgo, Zacatecas, Tlaxcala y Estado de Mxico, existen reas que pueden generar hasta 10000 kW, por aerogenerador instalado. Por otro lado, la pennsula de Yucatn podra generar hasta 15000kW.

El objetivo es evaluar tcnica y financieramente el potencial energtico del viento en Apan, Hidalgo con el fin de generar energa elctrica. Este estudio se concentra en la determinacin de la probable produccin de energa elica para evaluar la factibilidad tcnica, con este fin se hace uso de la distribucin Weibull. Mientras que para la factibilidad financiera se consideran los siguientes parmetros financieras: valor presente neto, la tasa interna de rendimiento, el costo nivelado de la electricidad, el perodo de recuperacin y la razn costo/beneficio.

Se revisaron los datos histricos de las variables climticas del Municipio de Apan, Se utilizaron los datos climatolgicos obtenidos de la Estacin Meteorolgica Automtica (EMA)-Apan del Servicio Meteorolgico Nacional (SMN). Se analizaron en total 17665 registros para generar una base de datos con la que se trabaj para todos los clculos.

Para evaluar el potencial del viento para la produccin de electricidad en Apan, Hidalgo es necesario como primer paso aplicar la ley exponencial de Hellman a los datos de la estacin meteorolgica para obtener datos de la velocidad del viento para diferentes alturas. Los datos obtenidos de la estacin meteorolgica se ajustan a la distribucin de Weibull y se estiman los parmetros de escala y forma, as como la funcin de densidad de probabilidad. Una vez obtenida esta informacin podemos calcular la: velocidad del viento ms probable, la velocidad del viento que conlleva la mxima energa, la produccin de energa anual por aerogenerador y por ltimo el factor capacidad por aerogenerador.

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