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ENERGÍA EÓLICA

TEORÍA Y CONCEPTOS

CAPEV 15 - 2013

Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado

Investigador Titular “A”

INSTITUTO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE LA UNAM

20 de septiembre de 2013

Temixco, Morelos, MÉXICO

Economía de los sistemas eoloeléctricos

• Evaluación económica de las emplazamientos eólicos

• Costos de capital

• Costos de operación y mantenimiento

• Costo nivelado de la generación eoloeléctrica

• Métodos de análisis económicos

• Consideraciones de mercado

Contenido de la presentación


Costos de los aerogeneradores La base de todas las consideraciones económicas en relación con los sistemas que utilizan la energía solar o el viento es el costo de fabricación de los convertidores de energía. La baja densidad de la fuente de energía requiere grandes superficies de captación los cuales son caros de producir. La pregunta central es, por lo tanto: si los costos específicos de la fabricación son muy altos ¿como, a pesar del ahorro de combustible, hacer la generación de energía rentable? Este destino es aún compartido por la mayoría de sistemas de generación de energía renovable. En la actualidad, comercialmente, las turbinas eólicas fabricadas en serie están disponibles en una amplia gama de potencia de hasta alrededor de 3 MW. Durante los últimos quince años, grandes progresos se han realizado para reducirlos costos de producción de aerogeneradores. Los primeros aerogeneradores experimentales de los años ochenta eran extremadamente caros, fabricados individualmente como prototipos, por el de costo asociado de la investigación y programas de desarrollo.


Uno de los objetivos principales es desarrollar estructuras más sencillas y más ligeras y por lo tanto máquinas más baratas. Sin duda los grandes aerogeneradores, todavía suponen importantes avances en este sentido. El segundo factor decisivo para reducir los costos de producción es, por supuesto, la producción de un mayor número de unidades. En comparación con los costos actuales, los grandes aerogeneradores pueden reducir sus costos enormemente si aumenta el número de unidades producidas. Sin embargo, no se debe dar exageradas esperanzas en este sentido ya que los aerogeneradores probablemente nunca sean en ensamblados como si fuera una línea de producción de automóviles. El potencial de reducción de costos por aumento de la producción en serie se limitará a unos cientos de miles de unidades hasta la saturación, o tal vez por cientos miles de unidades al año en el caso de las turbinas pequeñas para aplicaciones rurales. Los precios no son idénticos a los costos. Naturalmente, esta regla económica elemental se aplica también a las turbinas eólicas. Los fabricantes consideran la situación del mercado para fijar sus precios de venta por lo que sus márgenes de beneficios varían según el tiempo y ubicación.


Los costos específicos y parámetros de referencia importantes. Al comparar los sistemas convencionales de generación de energía se utiliza, de forma común, la potencia nominal como un parámetro significativo para indicar el objetivo específico de un sistema. De hecho, la fabricación y los costos de operación, así como el rendimiento energético de los reactores, turbinas y motores dependen fundamentalmente de la potencia nominal. En consecuencia, el "costo por kilowatt" es el parámetro adecuado para evaluar la rentabilidad. La situación es diferente con los sistemas de energía renovable. Estos sistemas primero deben capturar un “potencial” con una densidad extremadamente baja, por ejemplo, la radiación solar o el viento, antes de que se pueda convertir dicho potencial en energía utilizable. Esto significa, sin embargo, que los costos están determinados por el tamaño del “colector de energía”. Las dimensiones del colector también determinan la generación de energía. Una alta potencia nominal del convertidor de energía sólo será un beneficio si el colector de energía es capaz de suministrar la cantidad requerida de energía.


Así, relacionar los gastos de la fabricación con la potencia nominal del convertidor de energía dice poco sobre el potencial económico de los sistemas de energía renovables y es más, puede ser totalmente engañoso en algunos casos. En cambio, el tamaño del colector de energía es el parámetro de referencia decisivo. Por lo tanto, una turbina eólica esta caracterizada por el área de barrido del rotor o el diámetro de rotor. Esto parámetro es lo que determina principalmente los costos de la fabricación y la producción de energía. Si costos significativos son especificados, éstos deben ser relacionados con las dimensiones del rotor. Por otra parte, los costos de fabricación y la producción de energía no están exclusivamente determinados por el diámetro del rotor. La altura de la torre y la potencia del generador instalado desempeñan un papel determinante. La altura de la torre está necesariamente ligada con el diámetro del rotor. En una primera aproximación, la influencia de la altura de la torre en los costos, está incluida cuando se habla de la del diámetro del rotor. Si la potencia instalada en relación con el área barrida del rotor (W/m2) está dentro de los límites normales, la influencia de la potencia del generador instalado puede ser despreciada en una primera aproximación


Cuanto más detallado sea el desglose, más específico debe ser el producto. Así, en los ejemplos siguientes se muestra la estructura de costos de aerogeneradores de diferentes diseños, tamaños y origen, al nivel de los principales subsistemas.


Es evidente que las proporciones de costos de los subsistemas difieren de forma insignificante. No hay aparente tendencia de un cambio general del costo de ciertos componentes al aumentar el tamaño de la turbina eólica.


Economía de escala en la producción en serie Un factor importante en la reducción de los costos, que entra en vigor cuando un producto se fabrica en varias ocasiones, es el efecto de aprendizaje. Esto se logra por el tiempo de mano de obra que se ahorra gracias al trabajo en ciclos , así como por pequeñas mejoras hechas en el marco de la producción repetida. La "curva de aprendizaje" es una previsión de reducción de costos de fabricación, con un creciente número de unidades producidas.


Costos y Cálculo de Precios de Producción Los costos de fabricación no son los mismos que los precios de venta. La diferencia no es sólo el lucro. En el cálculo comercial sobre productos industriales, las cosas no son tan simples. Es especialmente el término de "costos de producción" el que requiere más explicación. Los fabricantes normalmente desglosan las diferentes etapas de costos en el cálculo de costos. Un método común calcula en primer lugar los costos de producción de todos los componentes de forma individual. Para las piezas suministrados por un proveedor, se considera el precio de compra más un recargo de un 5-15% de la contratación. Las piezas de fabricación propia se calculan con todos los gastos generales necesarios para su producción. Los fabricantes de turbinas eólicas tienen políticas variadas en este respecto. Muchos fabricantes intentan comprar tantas partes como sea posible de proveedores externos. Su propia línea vertical de fabricación es extremadamente pequeña. Por lo tanto, se benefician de la competencia de precios y de los conocimientos técnicos de la industria de proveedores. Otros fabricantes prefieren apostar por su propia producción. Por encima de todo, quieren impulsar el desarrollo integral del sistema con todos sus componentes. Éstas empresas lidian con los inconvenientes de ciertos costos causados por la producción de componentes en las cuales la empresa no se especializa.


Una empresa comercial enfocada a una posición en el mercado a largo plazo y estable, que incluya no sólo el lado de la producción, sino también una gestión global de productos, debe incluir otros factores de costos en el cálculo de su precio, tal como: -Ensamble en la fabrica - Control de calidad - Seguros - Costos administrativos -Costos de marketing - Costos de I & D - Embalaje - Comisiones -Ganancias.

Además de estos factores, el precio de venta debe contener suficientes reservas como para los nuevos desarrollos y sus posibles cambios estén cubiertos. Un análisis de costos como consecuencia de la suma del costo de los componentes presentan normalmente un recargo de 45% a fin de establecer el precio de venta. El orden de magnitud de estos gastos ha sido confirmado mediante un muestreo del cálculo de costos de algunos aerogeneradores fabricados en serie.


El aumento de la masa específica con respecto al aumento del diámetro de rotor, no sólo es verificable de manera empírica, sino que también puede derivarse investigaciones formales. En los últimos años, este problema ha sido tratado por diversas investigaciones técnico-científicas. Modelos detallados de masa de los aerogeneradores se han desarrollado y "leyes de escala" se obtuvieron para cada componente teniendo en cuenta las cargas principales. Estas leyes de escala se pueden utilizar con buenos resultados mediante la extrapolación al alza a partir de un cierto tamaño donde las masas son conocidas. La Condición para ello es que el concepto técnico esencialmente no ha cambiado. El desarrollo tanto de la masa torre-buje como de los costos de fabricación en comparación con un diámetro de rotor, se calculó para dos conceptos técnicos básicos, la aplicación de ciertos supuestos simplificadores (Fig. 19,9).


La masa total específica sigue así la función de crecimiento siguiente:


Los siguientes valores y actividades necesarias de planificación se pueden utilizar como base de costo de un proyecto de parques eólicos de tamaño medio con 10 turbinas grandes y costos de inversión de aprox. 20 M USD:


Costos de operación total anual Los costos totales anuales del funcionamiento de una turbina comercial o un parque eólicos, como porcentaje del precio de fábrica de la turbina, se puede desglosar de la siguiente manera:


El capital obtenido de una inversión, en particular, los créditos bancarios, en muchos casos son canjeados por los reembolsos regulares durante un cierto período de tiempo, llamado tiempo del rescate o amortización o mejor dicho, el tiempo de amortización de capital. El constante tipo de tasa de amortización comprende el interés compuesto y el reembolso se le llama "renta". Representa los costos de capital que se incrementará anualmente. La anualidad puede ser calculada independientemente del período de amortización de capital y la tasa de interés mediante la fórmula:


La figura 20.1 muestra la anualidad con una precisión suficiente para cálculos aproximados sin usar una calculadora.


Siguiendo esta misma línea de investigación sobre los precios, echemos un vistazo a la composición de los precios de la electricidad del productor hasta el usuario final, de tipo industrial o privado. Aunque las cifras sólo pueden tomarse como una guía general (es bien conocido que las centrales eléctricas nunca publican sus cifras), su orden de magnitud debe de ser el correcto. En Alemania hacia el 2007, la siguiente información da una descripción típica desde la perspectiva del usuario de la energía:


Desde el 2005, sin embargo, los precios de la electricidad se han estado elevando de nuevo. Las compañías eléctricas se ha dado cuenta que de los precios de mercado a estos niveles no pueden constituir una base duradera para un negocio exitoso. Por lo que la diferencia entre los precios de las energías renovables y el de la industria energética establecida se verá disminuida previsiblemente. Es importante tener conocimiento de estas relaciones al evaluar la viabilidad económica de generar electricidad a partir de la energía eólica. La evolución posterior de los pagos de potencia con las energías no se puede considerar como completamente desacopladas de los costos del negocio en la industria eléctrica, aún si se tuvieran que pagar bonos por cuestión ambiental, tal como debe ser.


Método de Análisis del Valor Presente o de Descuento del Flujo de Efectivo. El valor de los flujos de efectivo al tiempo establecido es llamado el valor presente. La suma de todos los valores presentes es llamada el valor presente neto (VPN). Comparando el resultado de las ganancias descontado a un determinado tiempo con la inversión inicial, proporciona una idea de la rentabilidad del proyecto. El valor presente neto se calcula como sigue:

Economía de los sistemas eoloeléctricos Evoluciona de valores negativos al inicio del período de operación a valores positivos al final. Una inversión es económica cuando el VPN, ya sumado en conjunto sobre el período de la inversión, es positivo. Un valor negativo indica una inversión económicamente no conveniente. Por ejemplo el VPN varía con respecto al período económico de la inversión de 20 años como se indica en la Fig. 20.8.


Costos promedio de generación de potencia en el período de inversión Para sus proyectos de inversión (centrales eléctricas), las compañías de generación de energía frecuentemente calculan el costo promedio de generación de potencia durante el período de vida de la inversión y lo comparan con una alternativa para averiguar cuál es el proyecto económicamente más ventajoso. Los costos promedio de generación de potencia de acuerdo con el método de valor presente se pueden obtener con la fórmula:


El Costo Nivelado de Producción de electricidad es un indicador internacional que muestra el costo asociado a la generación eléctrica durante el periodo de operación del sistema completo. Este indicador considera el tiempo de vida total estimado del sistema, la energía total de salida obtenida y la tasa de retorno en términos reales. El Costo Nivelado de Producción está dado por

donde n[-] es el número de años del período de vida del sistema, PAE [kW h] es la producción anual de energía durante el tiempo t , CT [USD] es el valor presente del costo total del sistema híbrido, y se calcula a través de la expresión:

donde I[U SD] es el costo de inversión total, OM[U SD] representa el costo de operación y mantenimiento durante el año t, CS[U SD] es el costo social durante el año t, V S[U SD] es el valor de salvamento después de los años de operación n y r[%]es la tasa de interés, dada en términos reales, la cual puede ser definida como la relación en que la tasa nominal a excede la tasa de inflación i, es decir:


Es común que el cálculo de CNP sea obtenido bajo las siguientes condiciones: a) Los costos de inversión no incluyen los intereses generados durante la construcción. b) Los costos de operación y mantenimiento OM son considerados con un incremento anual. c) El valor de salvamento aplica inmediatamente después del último año de operación. d) Los costos sociales SC deben ser considerados mediante programas existentes de apoyo económico para las fuentes renovables de energía. Para obtener el LPC se considera comúnmente que el costo de operación y mantenimiento OM es el 1 a 3 % de la inversión inicial y éste se incrementa entre 1 y 2 % anualmente por cada año de operación. Además, se consideró un período de vida útil de 20 años.

Economía de los sistemas eoloeléctricos Un riesgo específico que debe ser destacado es la variabilidad del ingreso debido a la inestabilidad del la velocidad promedio anual del viento de un año al siguiente. La proyección del flujo de efectivo con el que se determina el financiamiento del proyecto está basada en el promedio del viento a largo plazo, pero la experiencia ha mostrado que una velocidad menor puede ocurrir. Si esto sucede, el proyecto incurre en problemas de liquidez si no hay reservas financieras disponibles. En muchas compañías de un solo propósito basadas en el financiamiento del proyecto y en la proyección descrita, esta situación puede causar severos problemas.


Empleos relacionados con la industria eólica Debería de resaltarse en este contexto que la producción de aerogeneradores, aún de los muy grandes, no sólo significa empleo para la industria pesada. Aparte de algunos aspectos en investigación y desarrollo, los aerogeneradores no son “productos de alta tecnología gran escala” como las plantas nucleares o los aviones. Tampoco son kits de “hágalo usted mismo”. Los aerogeneradores son productos industriales de tecnología de medio nivel, cuya producción puede ser manejada por compañías tanto relativamente pequeñas como por las grandes.


Lo que permanece es la cuestión de la seguridad del suministro (“potencia firme”) para el consumidor. Un argumento frecuentemente usado en contra de las fuentes renovables de energía, sobre todo contra el uso la energía eólica, es que es impredecible por su naturaleza, y por tanto no adecuada. La respuesta a esto es simple: Ninguna persona razonable pensaría en basar su suministro energético en el uso de la energía eólica solamente. La energía eólica siempre es una parte del sistema energético total. La disponibilidad requerida, con o sin aerogeneradores, será siempre soportada por el sistema entero de plantas energéticas interconectadas. La comparativamente baja disponibilidad de los aerogeneradores es reducida a una cuestión puramente técnica a que tanto pueden contribuir para la seguridad del suministro del sistema de plantas energéticas interconectadas y se convierte en un problema económico, a lo más.


Escenarios del Desarrollo Eoloeléctrico en le Mundo Tres diversos panoramas se consideran para el crecimiento futuro de la industria de la energía eólica alrededor del mundo (GWEC 2006). El panorama más conservador denominado "referencia" se basa en la proyección del 2004 de los informes de la perspectiva de la energía del mundo de la agencia internacional de energía (IEA). En dichos informes se proyecta el crecimiento de todas las energías renovables, incluyendo la energía de eólica hasta 2030. El estudio de la IEA se amplió hasta 2050 con base en el estudio del Centro Aeroespacial de Alemania (DLR). El panorama "moderado" considera todas aquellas medidas y políticas para apoyar la energía renovable que están actualmente en curso o en planeación alrededor del mundo. También supone que los objetivos fijados por muchos países para el desarrollo de la energía eólica se están llevando a cabo con éxito. El panorama más ambicioso, "Avanzado", sigue una trayectoria similar al desarrollo propuesto en la serie de informes Fuerza Eólica 10 y 12 que se realizaron desde 1999 por la asociación europea de la energía eólica (EWEA), el consejo global de la energía del viento (GWEC) y Greenpeace. En dichos reportes se examina la factibilidad de proveer el 10%, y más adelante el 12%, la electricidad del mundo a través de energía eólica. En este escenario se considera además un importante avance tecnológico con base en las expectativas de investigación y desarrollo de la industria eoloeléctrica.


Los resultados de los panoramas globales de la perspectiva de la energía eólica demuestran que incluso bajo opinión conservadora como muestra la IEA, la energía del viento podría proveer 5 % de la electricidad del mundo antes de 2030 y 6.6 % antes de 2050. Se asume que se ha introducido la proyección de un "alto rendimiento energético" a través de uso eficiente de la energía eléctrica. Bajo la proyección “moderada” del crecimiento de la energía eólica, se considera un ahorro ambicioso de energía, así que la energía del viento podría proveer el 15.6 % de la electricidad del mundo antes de 2030 y 17.7 % antes de 2050. Bajo proyección “avanzada” del crecimiento de energía del viento, considerando un ahorro muy ambicioso energía y una muy alta eficiencia eléctrica, la energía del viento podría proveer 29.1 % de la electricidad del mundo antes de 2030 y 34.2 % antes de 2050. Los resultados de los tres escenarios se muestran en la figura 4 donde se toma en cuenta el crecimiento de la demanda de energía eléctrica del mundo.


Figura 4. Proyección de la penetración de la generación eoloeléctrica

en el suministro de electricidad en el mundo


En los niveles de la penetración considerados bajo el panorama “avanzado” se requiere que la producción eléctrica sea liberada con amortiguamiento mediante el almacenaje o bien al proveer nuevos sectores tales como transporte en la obtención de hidrógeno como combustible. Estos resultados muestran no sólo que la energía del viento puede hacer una contribución importante para satisfacer de la necesidad global de electricidad limpia y renovable en el plazo de los próximos 30 años, sino que se deben tener en cuanta medidas serias para incrementar el rendimiento energético al mismo tiempo. En la figura 5 se muestra la proyección de la capacidad instalada para los tres escenarios considerados.

Figura 5. Proyección de la capacidad

instalada hasta el año 2050

para los tres escenarios

considerados.


Figura 6. Diferentes escenarios de potencia instalada


Región

Referencia Moderado Avanzado [GW] [GW] [GW]

2020 2030 2020 2030 2020 2030 Europa 142 186 174 295 245 392 Norte América

43

94

167

334

284

570

Centro y Sudamérica

6

10

54

123

100

198

Asia del Este

5

7

27

59

71

142

Asia del Sur 6

9

39

75

61

126

China 11 25 41 87 169 328 Medio Oriente

2

4

9

18

24

47

África 2 5 8 20 17 48 Pacífico 5 12 34 90 90 140


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