Utilizando este indicador, el sistema estudiado en este trabajo tiene un FRE de 9,3 es decir que la energía producida a lo largo de la vida útil de la máquina equivale a más de 9 veces la energía invertida según nuestro modelo.
27 Life cycle energy and greenhouse emissions analysis of wind turbines and the effect of size on energy yield . R.H. Crowford,
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009.
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7. Análisis de sensibilidad
7.1 Vida útil del aerogenerador
La vida útil de un aerogenerador es un factor fundamental en el desempeño energético de la máquina a lo largo de su ciclo de vida, pudiendo influir sustancialmente en el balance energético. Si bien la vida útil de la máquina y del resto de los componentes del sistema puede verse alterada por muchos factores, y persiste aun un importante grado de incertidumbre debido principalmente al reciente comienzo de su fabricación, en la industria de la energía eólica se ha establecido como regla general que el plazo debe ser no menor a 20 años.
Dicho valor es superado regularmente si se realiza el mantenimiento adecuado de la máquina y se reemplazan los componentes que han sufrido un desgaste considerable (principalmente piezas móviles). En función de lo anterior, para este trabajo se asume que se llevarán adelante el mantenimiento y recambio de piezas necesarios para asegurar una vida útil mayor a 20 años.
7.1.1 Disminución de la vida útil del aerogenerador
En primer lugar se propone el análisis del impacto que tendría en el balance energético la disminución de la vida útil del sistema en cinco años. En este caso, debe reducirse la producción eléctrica total, así como también restarse la energía involucrada en la rutina de mantenimiento propuesta, manteniéndose el resto de las variables constantes.
Para este escenario hallamos que una reducción de 5 años en la vida útil del sistema provoca una merma en el Factor de Rendimiento Energético de un 15% (FRE=7,93). El indicador TRE, a se vez, se ve reducido también pero en en menor medida (12%), obteniendo para este caso un Tiempo de Retorno de Energía de 1,89 años29.
7.1.2 Incremento de la vida útil del aerogenerador
La extensión de la vida útil, por su parte, bajo los mismos supuestos que para la disminución, genera un aumento del Factor de Rendimiento Energético del 11% (FRE=10,32) y un incremento en el TRE del 13%, con un tiempo aproximado de 2,42 años para recuperar la energía invertida en las distintas fases del ciclo de vida.
29 Manteniendo constantes las variables energía de fabricación e instalación, la distancia recorrida para mantenimiento, y la
producción de energía anual entonces la ecuación TRE es función proporcional respecto de la vida útil del sistema. 37 de 60
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7.2 Escenarios de viento
Como fuera propuesto en el alcance del trabajo, se analizó la influencia que posee en el balance energético la velocidad de viento en el sitio de instalación.
Para el trabajo se utilizó como velocidad media anual de viento 7,55 m/s, medida a 10 metros sobre el terreno, la cual se considera representativa de una amplia porción de la región patagónica.
Además de dicha velocidad, se analizaron otras tres utilizadas por la industria eólica para la clasificación de las turbinas de alta potencia30.
Denominación del sitio Velocidad media anual de viento Producción anual de energía IEC Clase I
Viento fuerte 9,9 m/s 13.595 kWh
IEC Clase II
Viento medio 8,5 m/s 9.794 kWh
IEC Clase III
Viento leve 7,6 m/s 8.525 kWh
Clase IV
Viento muy leve 6,1 m/s 5.286 kWh
Tabla 18. Energía producida anualmente por el sistema, disponible para su utilización.
La tabla anterior resume la energía que es producida por el sistema y que puede ser aprovechada por el usuario, es decir que están contempladas las pérdidas en la transmisión, regulación y pérdidas por tiempo en que la máquina no se encuentra disponible para funcionamiento.
En función de dichas producciones se obtienen las siguientes variaciones en los indicadores de desempeño energético.
Denominación del sitio Factor de Rendimiento Energético (FRE) Tiempo de Retorno de Energía (TRE) IEC Clase I
Viento fuerte 14,79 1,35
IEC Clase II
Viento medio 10,65 1,88
IEC Clase III
Viento leve 9,27 2,16
Clase IV
Viento muy leve 5,75 3,48
Tabla 19. Indicadores de desempeño energético para distintos escenarios de viento.
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Como es de esperarse, la velocidad de viento posee una importante influencia en el balance energético del sistema ya que la producción eléctrica es proporcional a la función cúbica de aquella. Se encuentran diferencias de 59% y 38% entre el FRE calculado para el estudio y los factores para las mejores y peores condiciones de viento propuestas, respectivamente. Asimismo, en este análisis puede observarse que tanto el Factor de Rendimiento Energético como el Tiempo de Retorno de Energía se ven mejorados con un escenario de viento más favorable.
Respecto del TRE también puede señalarse que incluso en condiciones de viento muy leve, el balance energético global continua siendo ampliamente positivo, recuperándose la energía invertida a lo largo del ciclo de vida del sistema en aproximadamente 3 años y medio.
Fue analizado también el efecto que tiene el aumento de la altura de la torre usada en la instalación. Esto fue incluido dentro del análisis de escenarios de viento dado que, en términos generales, a medida que se aumenta la altura sobre el nivel del terreno se registran mayores velocidades de viento para un lugar determinado.
Utilizando la información de viento que provee el sitio del Mapa Eólico Nacional, junto con el software HOMER se obtuvo una producción anual neta de energía de 9.440 kWh y 11.360 kWh para un sitio con una velocidad anual media de 7,5 m/s y 8,32 m/s a una altura de 10 m y 20 m sobre el terreno, respectivamente31. Esto equivale a una diferencia de 1.920 kWh o 6.912 MJ
por año entre las producciones a las dos alturas mencionadas.
A su vez, para calcular los indicadores de desempeño energético se estimó la energía extra necesaria para duplicar la altura de la torre, para lo cual se asumió que se duplica el consumo de materiales y la energía de procesos y transporte. Esta energía suma en conjunto unos 15.821 MJ (11.336 MJ de procesos primarios para fabricar materiales, 1.412 MJ de procesos de fabricación secundarios, y 3.073 MJ por transporte).
Con estos valores, se observó una ligero decrecimiento del FRE (2,9%), lo cual se debe a que si bien la energía extra para duplicar la altura de la torre se recupera totalmente debido al incremento de la producción energética, esto es logrado en aproximadamente 2,3 años, superando levemente el TRE original. En términos absolutos el aumento de la altura de la torre genera un aumento en la producción de energía anual de 6.912 MJ, lo que representa unos 138.240 MJ a lo largo de todo el ciclo de vida y supera ampliamente los 15.821 MJ necesarios para duplicar la altura.
En conclusión, el aumento de la altura de la torre logra incrementar la energía total obtenida por el sistema aunque en términos relativos, los indicadores de desempeño energético disminuyen levemente.
7.3 Variaciones en distancias y transporte
Otro análisis de sensibilidad propuesto para este trabajo consiste en la evaluación del grado de afectación que posee en el balance energético la variación en la distancia entre la planta de INVAP Ingeniería S.A. y el sitio de instalación del aerogenerador, así como también modificaciones en las distancias que realizan los distintos tipos de transporte y en las rutinas de mantenimiento de las instalaciones.
31 Si se compara con la producción energética del ACV para una velocidad de 7,55 m/s se observa que en este caso es mayor
pese a que la velocidad es levemente inferior (7,5 m/s), esta diferencia se debe al efecto que posee la densidad del aire en el cálculo. Para este análisis de sensibilidad utilizaron los valores de un lugar a una menor altura que en el otro caso.
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7.3.1 Modificación en la distancia total al sitio de instalación
En este análisis se mantienen aproximadamente las proporciones que realiza cada tipo de transporte (camiones para larga y corta distancia y camionetas tipo pick up ), en cada salida
para mantenimiento involucra dos instalaciones y el resto de variables del ACV se mantienen constantes.
Distancia Neuquén a sitio de instalación [km]
Energía de
transporte [MJ] Energía consumidatotal [MJ] Producción anualde energía [MJ] FRE Variación[%] TRE Variación[%]
2.000 52.054 80.729 30.689 7,60 -18 2,63 22
1.500 37.514 66.189 30.689 9,27 0 2,16 0
1.000 26.550 55.225 30.689 11,11 20 1,80 -17
Tabla 20. Indicadores de desempeño energético para distintos escenarios de distancia entre la fábrica de aerogeneradores y el sitio de instalación.
En este caso podemos ver que el transporte también tiene una influencia importante en los indicadores energéticos, causado especialmente por la distancia a recorrer en camioneta para realizar el mantenimiento a lo largo de los 20 años de vida útil. Esta última tarea involucra el 87% de la energía de transporte para el escenario de mayor distancia y el 86% para el sitio de instalación más cercano a la fábrica de INVAP Ingeniería S.A.
7.3.2 Modificación en las distancias recorridas por tipo de transporte
En este caso se utiliza el escenario de distancia utilizado para el ACV pero se varía la distancia entre el centro de distribución teórico de los equipos de INVAP Ingeniería S.A. y el sitio de instalación. Fundamentalmente, este análisis se enfoca en las implicancias que tiene el transporte en camioneta en la energía que se consume a lo largo del ciclo de vida de la máquina.
Manteniendo entonces constantes el resto de variables, pero aumentando y reduciendo en 250 km la distancia entre el centro de distribución y el sitio de instalación se obtienen los siguientes desempeños.
Distancia centro distribución a sitio de instalación [km]
Energía de
transporte [MJ] Energía consumidatotal [MJ] Producción anualde energía [MJ] FRE Variación[%] TRE Variación[%]
750 55.394 84.070 30.689 7,30 -21 2,74 27
500 37.514 66.189 30.689 9,27 0 2,16 0
250 19.633 48.308 30.689 12,71 37 1,57 -27
Tabla 21. Indicadores de desempeño energético para distintos escenarios de distancia entre el centro de distribución y el sitio de instalación del aerogenerador.
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A través de este análisis puede notarse el importante efecto que tiene la forma en que se realiza el transporte, y la mejora en los indicadores energéticos que puede alcanzarse mediante la reducción de las distancias que se requieren para el mantenimiento de la instalación.
7.3.3 Modificación en la rutina de mantenimiento
Dada la influencia que se observó en el rendimiento energético del sistema según la distancia recorrida para realizar el mantenimiento, se plantea en este análisis de sensibilidad la diferencia en el gasto energético según se realice el mantenimiento de una, dos, o tres instalaciones.
El escenario de distancias se mantiene idéntico al planteado para el Análisis de Ciclo de Vida, al igual que el resto de variables, modificándose únicamente el prorrateo del gasto energético para realizar el mantenimiento según el número de instalaciones que estén incluidas en cada salida.
Cantidad de
instalaciones transporte [MJ]Energía de Energía consumidatotal [MJ] Producción anualde energía [MJ] FRE Variación[%] TRE Variación[%]
1 70.014 98.689 30.689 6,22 -33 3,22 49
2 37.514 66.189 30.689 9,27 0 2,16 0
3 26.680 55.356 30.689 11,09 20 1,80 -16
Tabla 22. Indicadores de desempeño energético para distintos escenarios de mantenimiento de instalaciones.
Mediante este análisis puede observarse el importante nivel de influencia que posee la coordinación de los trabajos de mantenimiento de instalaciones. Esto es especialmente cierto en la diferencia entre realizar el mantenimiento a una instalación o dos, observándose una diferencia cercana a un año en el tiempo necesario para recuperar la energía invertida en el ciclo de vida del sistema.
7.4 Fin de vida útil – Reciclado
El fin de la vida útil de los aerogeneradores de baja potencia se encuentra mayoritariamente bajo la responsabilidad de los usuarios, no existiendo protocolos definidos al respecto. Este es el caso también de la turbina eólica fabricada por INVAP Ingeniería S.A., por lo que inicialmente no se incluyó esta etapa en el Análisis de Ciclo de Vida llevado a cabo, con el fin de representar apropiadamente la realidad.
Sin embargo, se considera pertinente una evaluación aproximada de las repercusiones en términos energéticos que tendría una recuperación del sistema al fin de la vida útil con un reciclado de los principales componentes.
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En este análisis de sensibilidad se propone por lo tanto contemplar la energía involucrada en el traslado del aerogenerador, torre y elementos del sistema (excluyendo hormigón) hasta la ubicación del distribuidor encargado de la instalación y mantenimiento, y desde allí en transporte de carga de larga distancia hasta Buenos Aires, donde se supone se realiza el reciclado.
Por otro lado, se obtendrá un “crédito” energético por el reciclado de piezas de acero, aluminio y cobre. La cantidad de material a reciclar se asume que es el 80% del total inventariado en el ICV; la energía para producción es la propuesta por el software utilizado para el ACV (en el caso del acero se utiliza la energía para producción de tochos de acero estándar) y el porcentaje es un aproximado conservador en función de valores típicos32.
Material Cantidad reciclada [kg] Energía para producción[MJ/ton] Porcentaje de energíarecuperado [%] Energía recuperada [MJ]
Aluminio 3,1 170.492 90 476
Acero 346,9 21.526 60 4.480
Cobre 2,5 11.873 80 24
Total 4.980
Tabla 23. Recupero de energía por reciclaje al fin de la vida útil del sistema.
Carga
transportada Peso [kg] transporteTipo de Objeto o funcióndel transporte Distancia [km] específicoConsumo Energía Aerogenerador y
torre 535 Camionetadiesel
Traslado desde sitio de instalación a distribuidor 500 3,61 MJ/km 877 Aerogenerador y
torre 535 Camión largadistancia
Traslado desde distribuidor hasta
Bs.As. 2600 0,63 MJ/km.t 1.805
Total 2.682
Tabla 24. Consumo de energía para traslado de aerogenerador y torre para reciclado.
Tenemos entonces que en caso de realizarse una recuperación del aerogenerador, torre y demás elementos y un posterior reciclado de las partes, se obtendría un saldo energético a favor de 2.298 MJ. En dicho caso, los indicadores energéticos resultarían en un Factor de Rendimiento Energético de 9,6 y un Tiempo de Retorno de Energía de 2,1 (variaciones de 3,6% y -3,5%, respectivamente). Esto muestra que, independientemente de otros aspectos ambientales, económicos o sociales, la desinstalación de sistemas eólicos de baja potencia no afectan sensiblemente el balance energético de su ciclo de vida.
32 Por ejemplo la Asociación de Reciclado de Metales Británica ( British Metal Recycling Association) cita como valores
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8. Interpretación y conclusiones
A través del análisis de las distintas fases del ciclo de vida del aerogenerador IVS 4500
fabricado por INVAP Ingeniería S.A. hemos podido observar los principales aspectos que afectan el rendimiento energético global del sistema. Este, por cierto, ha mostrado ser positivo incluso en escenarios altamente desfavorables, pudiéndose concluir que en términos de energía producida y consumida es una actividad sostenible.
Puede notarse, mediante los resultados principales y especialmente frente a las variaciones obtenidas en los distintos análisis de sensibilidad, que si bien los mayores gastos energéticos del sistema se dan durante la producción y el mantenimiento, se podría llegar a mejorar de manera importante el balance energético ajustando las variables de ese último.
La mejora en la producción, deseable en términos generales, implicaría la revisión y mejora de numerosos procesos, muchos de ellos fuera del alcance de la empresa. De esta forma se podrían lograr beneficios marginales que para traducirse en un cambio significativo necesitarían de esfuerzos nada despreciables.
Por otro lado, trabajando en unos pocos aspectos referidos al mantenimiento se podría incrementar en forma notable el rendimiento energético del sistema. Esto podría alcanzarse aumentando la eficiencia en la logística y en la rutina de mantenimiento,minimizando los traslados en camioneta, incluyendo varias instalaciones en cada salida programada, o incluso aprovechando salidas por desperfectos para mantener instalaciones cercanas. Asimismo, un mantenimiento constante durante la vida útil podría no sólo reducir los tiempos en los que la máquina no está funcionando por desperfectos, sino que a través del mismo se podría extender la vida útil del sistema. Ambas mejorías, redundarían en un aumento de la producción eléctrica total, mejorando de ese modo el rendimiento energético del sistema.
Relacionado con el párrafo anterior, también puede señalarse que en general los aerogeneradores de baja potencia no se vuelven obsoletos del mismo modo en que lo hacen las turbinas eólicas de alta potencia. Esto es debido, en parte, al hecho de que la industria de alta potencia se encuentra avanzando rápidamente, llegando incluso a reemplazar parques eólicos enteros por equipos nuevos de mayor potencia antes de que se cumpla su vida útil. En cambio, en las instalaciones de baja potencia para pobladores aislados, la obsolescencia está ligada más a la demanda de energía del lugar, la cual en ocasiones puede mantenerse sin importantes alteraciones por largos períodos de tiempo.
Otro aspecto a señalar respecto del mantenimiento, es el rol que podría tener una política fuerte del Estado en materia de electrificación rural, por ejemplo a través de programas como el PERMER33. Estos programas, extendiendo e intensificando su alcance, implementando rutinas
de mantenimiento coordinadas, podrían reducir notoriamente los costos energéticos de estas tareas, reduciendo también fallas y roturas, y extendiendo la vida útil de los sistemas.
En cuanto al fin de la vida útil del sistema en términos energéticos pareciera no existir una gran diferencia en un escenario que incluya la recuperación del material, según el análisis de sensibilidad llevado a cabo. Esto, de todas formas, no debiera constituirse como un justificativo para no ser incluido dentro de la responsabilidad que tiene el fabricante para con su producto y el usuario. Existen sobradas razones desde el punto de vista ambiental (p.e. el disminuir la presión sobre los recursos naturales al fomentar el reciclado) y social (mejora de la imagen de la industria eólica al evitar el abandono de equipos) como para que la rutina de desinstalación sea incorporada dentro del alcance de los trabajos del fabricante.
33 Proyecto de Energías Renovables en Mercados Rurales. http://energia.mecon.gov.ar/permer/permer.html
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La inclusión en este trabajo de los sistemas de almacenamiento de energía (p.e. mediante bancos de baterías) seguramente reduciría sensiblemente el rendimiento energético del sistema. Sin embargo, su exclusión ha estado justificada tanto por el alcance del trabajo, como por el grado de incertidumbre que agregaría a los resultados, al existir una amplia variedad de opciones para esta otra función. Era, a su vez, uno de los propósitos de este trabajo, acotar el análisis a una máquina, que posibilite en el futuro la comparación con otras que desempeñen el mismo trabajo, independientemente de las formas de almacenamiento, sean utilizadas estas o no. En un marco de diversas opciones para la producción eléctrica distribuida, la elección de una u otra debería sustentarse en análisis que sigan una metodología análoga y que contemplen los aspectos de todo el ciclo de vida de las mismas.
Una interpretación indirecta de los resultados también podría sugerir la conveniencia de la generación distribuida conectada a la red, en cuyo caso se puede prescindir de sistemas de almacenamiento de energía. Pero esto solo aplica a situaciones en las cuales existe la posibilidad de conexión al sistema eléctrico interconectado.
Cabe de todas formas, la pregunta de qué sucedería si el análisis -incluyendo o no el almacenamiento- diera un resultado negativo. Como se ha mencionado en las primeras secciones de este trabajo, el Análisis de Ciclo de Vida es una herramienta que por si sola no es suficiente para justificar o no una actividad. Además de cuestiones ambientales que pudieran ser evaluadas mediante estudios de impacto, existen variables económicas y sociales que