Primera edición del Mapa de Potencial Eólico de Cuba

Rolando Soltura Morales*, Alfredo Roque Rodríguez*, Ibis Rivero Llerena*, Antonio Wallo*, Reynaldo Báez Altamirano*, Ransés Vázquez*, Ramón Rivero*, Lilian Ayala Pérez*, Gloria Rodríguez Fernández*, Hazel Carrasco**, Alfredo Curbelo Alonso**, Andrés González Barrera***, Omar Herrera Sánchez***, Gustavo Martín Morales****, José Carlos Díaz Vidal*****, Geovannis Hernández******
* Instituto de Meteorología (INSMET), del Ministerio de Ciencia,
Tecnología y Medio Ambiente (CITMA), Cuba.
** Centro de Gerencia de Programas y Proyectos Priorizados (GEPROP), del CITMA, Cuba.
*** Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (CUJAE), del Ministerio de Educación Superior (MES), Cuba.
**** Centro Nacional de Áreas Protegidas (CENAP), del CITMA, Cuba.
***** EcoSol Solar, de COPEXTEL S.A., Cuba.
****** Centro de Investigaciones de Energía Solar (CIES), del CITMA, Cuba
e-mail: alfredo.roque@insmet.cu
Tel.: (537) 8686593

Introducción
En la Revolución Energética que se desarrolla en nuestro país el uso de las energías renovables ocupa un lugar preponderante, destacándose entre ellas, en estos momentos, la energía eólica. Por tal motivo ha sido prioritaria la evaluación del recurso eólico en el país para conocer nuestro potencial en este recurso, así como los posibles sitios en los cuales es factible el emplazamiento de parques eólicos a mediana y gran escalas que puedan tributar al Servicio Electroenérgetico Nacional (SEN).

Objetivos del Mapa de Potencial Eólico
1. Disponer de un mapa de Cuba en el que se señalen las principales zonas donde se localiza el recurso eólico en el país.
2. Obtener una evaluación preliminar del potencial eoloenergético del viento en Cuba.

Metodología para la elaboración del Mapa de Potencial Eólico
Para obtener el Mapa de Potencial Eólico se dieron los pasos siguientes:
● Se creó una base de datos de viento, con la participación de personal técnico y especializado del Instituto de Meteorología (INSMET) y sus dependencias provinciales, y el apoyo en personal y en recursos de los Joven Clubes de Computación del país.
● La base de datos contiene los registros trihorarios de velocidad y dirección del viento medidos
a 10 m de altura de 68 estaciones meteorológicas, lo cual permitió digitalizar y actualizar toda la información de viento del país, desde la fecha de creación de la estación hasta el 2004.
1. Para la elaboración del Mapa fue seleccionado el modelo de microescala WasP, elaborado por el Laboratorio Nacional Risø, en Dinamarca, y que ha tenido un amplio uso internacionalmente.
Los datos de entrada al modelo lo constituyen las series temporales de datos de dirección y velocidad del viento de cada estación, el análisis de los obstáculos que perturban la medición del viento en las estaciones y un mapa digital donde se combinan la orografía y la rugosidad del terreno.

2. Se reelaboró el mapa de paisajes físico-geográficos y se propuso una nueva clasificación de los tipos de paisajes, teniendo en cuenta los siguientes componentes:
a) Mapa físico.
b) Orografía.
c) Vegetación.
d) Tipos de suelo.
e) Distribución físico-geográfico.
El paisaje físico-geográfico se clasificó en varios tipos atendiendo básicamente a las pendientes y a las diferencias de elevación, cuestión ésta esencial en la modelación del WAsP (Tabla 1).

3. Se seleccionaron 49 estaciones meteorológicas (Anexo 1), atendiendo a los siguientes principios:

Fig. 1. Ubicación de las 49 estaciones meteorológicas utilizadas
para obtener el mapa WAsP de potencial eólico de Cuba.

4. Para correr el WAsP y realizar las interpolaciones de las áreas a fin de obtener el mapeo final del recurso utilizando las herramientas que nos ofrecen los Sistemas de Información Geográficos (SIG), se dividió el país en 900 áreas, con tamaños variables en función del paisaje. Las áreas de mayor tamaño tienen aproximadamente 200 km2 (14 X14 km), con casi 10 000 nodos o puntos de cálculo. La escala del mapa digital base es 1: 250 000.

Resultados obtenidos
El Mapa del Potencial Eólico de Cuba (Anexo 2) permite identificar 26 zonas geográficas (Anexo 3), que revelan potenciales eólicos acordes con las clases 4 (Moderado, M), 5 (Bueno, B), 6 (Excelente, E) y 7 (Excepcional, Excep.), con potencias que van desde 500 y 600 W/m2, velocidades entre
6,2-6,8 m/s y más de 1 000 W/m2 (> 8,2 m/s) (Excep.), confirmandose así las áreas obtenidas en mapas de versiones anteriores, así como resultantes de estudios de prospección realizados en algunos sitios de Cuba. Así mismo, permitió identificar nuevas áreas de interés desde el punto de vista del recurso, principalmente en la costa sur, donde hasta el momento no se tenía ninguna información.

En línea general puede decirse que los potenciales altos (entre Moderado y Excelente) se hallan desplazados hacias las áreas costeras, con puntos muy notables en zonas montañosas (Tabla 2). Estos resultados se corresponden con el carácter insular (isla larga y estrecha) de Cuba, donde la circulación local de brisas en las costas norte y sur, desempeñan un importante rol, junto a los patrones de gran escala, en la definición del clima del recurso eólico del país.

A partir de la determinación de la extensión en kilómetros cuadrados de las áreas consideradas entre moderadas y excelentes se determinó el potencial eólico de Cuba (Anexo 4), el que está entre 5 000 y 14 000 MW (En la cifra calculada no entran los criterios acerca del RIX > 15% —zonas con pendientes irregulares y abruptas—, con valores de energía mayores que 600 W/m2, los cuales habrían incrementado la cifra del potencial eólico). La distribución por provincias se muestra en el Anexo 4.

Esta capacidad instalable, teniendo en cuenta un factor de capacidad del 25%, resulta en un estimado del potencial equivalente entre 1 200 y 3 500 MW.

Limitaciones de los resultados alcanzados
Entre las limitaciones que inciden en la evaluación del recurso están las propias limitaciones del modelo empleado, el cual exige condiciones ideales de la atmósfera, el dominio de aplicación del mismo (10 km alrededor de la estación), y el cumplimiento del principio de semejanza climática y topográfica.

También entre las limitaciones se encuentra el hecho de que las estaciones meteorológicas no siempre están localizadas en los lugares de mayor viento (costas y zonas montañosas generalmente), el equipamiento empleado no es el apropiado para los estudios energéticos y las estaciones meteorológicas por lo general presentan numerosos obstáculos a su alrededor (edificaciones, árboles, etc.), lo que perturba la medición del viento.

Por otra parte, el análisis de la variación interanual de la velocidad media anual del viento en cada una de las estaciones permitió determinar, de manera cualitativa, la tendencia de cada estación al incremento, disminución o conservación de la velocidad media anual del viento en los últimos años. El conocimiento de esta tendencia es de vital importancia a la hora de pronosticar el comportamiento a corto y mediano plazos del viento en los sitios donde se instalen los futuros parques eólicos.

Conclusiones y recomendaciones
La realización del Mapa del Potencial Eólico de Cuba permitió cumplir el objetivo prioritario de identificar las zonas donde se encuentra localizado el recurso eólico para su posible uso con fines energéticos.

Se recomienda continuar trabajando en el perfeccionamiento del actual mapa WAsP, y se sugiere que los resultados obtenidos, relativos a las nuevas áreas identificadas como moderadas, buenas, excelentes y excepcionales, se incluyan en el Programa de Prospección Eólica que hoy se lleva a cabo.

Se sugiere trabajar en la elaboración de un proyecto de Atlas Eólico de Cuba, en el que se resuma toda la estadística y climatología del viento en nuestro país, y se obtengan mapas detallados del recurso eólico a partir del empleo combinado de modelos regionales, de mesoescala y microescala.

Anexo 2. Mapa del Potencial Eólico de Cuba, por provincias

Anexo 5. Metodología de cálculo del potencial eoloenergético de una región
Después de determinar, a partir del Mapa de Potencial Eólico, las áreas con potencial eólico favorable, se precisa la extensión de terreno AT, sujeta a este régimen de viento, a partir de un análisis cartográfico. Así, se precisa el territorio donde es conveniente ubicar parques eólicos.
El conjunto de aerogeneradores con potencia unitaria PU y diámetro de rotor se distribuye en el territorio atendiendo a varios factores, como los rumbos predominantes del viento, la forma y rugosidad del terreno y su vegetación, así como la infraestructura existente o prevista: caminos de acceso, subestaciones eléctricas y edificaciones, entre otras. Una cuestión de fundamental importancia es la separación adecuada entre aerogeneradores, para evitar que se perturben unos a otros por la estela turbulenta que forma cada rotor en el flujo de viento que lo mueve.

El proyecto de ubicación de los aerogeneradores sobre el terreno permite establecer —por un análisis puramente geométrico— el llamado coeficiente de aprovechamiento de la superficie (CA), que relaciona el área total de conversión de energía— igual a la suma del total de áreas de barrido de los rotores—, con el área AP, donde se localizan esos mismos aerogeneradores. Por el mismo método se halla el número de aerogeneradores por unidad de área de parque eólico, N/AP.
Entonces, el potencial eoloenergético bruto o potencia a instalaren la región o país considerado puede estimarse con la fórmula siguiente:

Pero no toda el área del territorio regional o nacional sobre el cual hay un potencial eólico dado, puede ser aprovechada para instalar parques eólicos, porque en su mayor parte está ocupada por residencias, industrias, unidades militares, carreteras, bosques, líneas de transmisión eléctrica, instalaciones de otro tipo, e incluso áreas protegidas por razones ecológicas, culturales o turísticas.
Si CAT es el coeficiente de aprovechamiento del territorio, como cociente del área aprovechable entre el área total del territorio, entonces el potencial eoloenergético aprovechable de la región o país puede estimarse por la fórmula:

Ahora, a partir de la velocidad media o de la densidad de potencia del viento a la altura del eje del rotor, dada en W/m2 y siempre para un período anual, es posible determinar el factor de capacidad de los aerogeneradores (FC), esto es, en qué medida el viento reinante cargará los aerogeneradores respecto a su potencia nominal.

Por otro lado, normalmente se conoce el coeficiente de disponibilidad (CD) de los aerogeneradores utilizados y se puede estimar la eficiencia aerodinámica (EA) del parque eólico a partir de su configuración. Por tanto, es posible hallar el potencial eoloenergético técnico, o potencia media anual de generación por la fórmula:

Si TA es el tiempo anual de trabajo continuo, entonces la energía que habrán de generar los parques eólicos situados en el territorio considerado será:

Aplicando esta metodología al Mapa del Potencial Eólico de Cuba recientemente concluido los resultados son los siguientes:
● El área con potencial entre Moderado y Excepcional abarca unas 500 000 ha (hectárea 8) de territorio, cuya velocidad media anual del viento es, como mínimo, de 6,2 m/s.
Por otro lado, se ha estimado racional considerar para este cálculo aerogeneradores de potencia unitaria PU = 1 MW, con rotor de diámetro d = 60 m, porque representan el estado actual del arte de los aerogeneradores instalados en la mayoría de los parques eólicos del mundo.
Se ha considerado, además, que en los parques eólicos nacionales los aerogeneradores supuestamente se ubicarían en sitios con viento dominante, dispuestos en una cuadrícula rectangular mostrada esquemáticamente en la figura 2. En esta figura, L1 y L2 representan el ancho y la profundidad del parque eólico, respectivamente, tomado como base del cálculo del potencial eólico. En relación con ello, N1 y N2 serán, también respectivamente, el número de columnas y filas del parque.

Fig. 2. Disposición supuesta de los aerogeneradores
en los parques eólicos para la estimación del potencial eólico de Cuba.

El ancho del parque estará dado por la fórmula siguiente.

L1= N1 · d · (n+1)

La profundidad del parque estará dada por la fórmula:

L2 = N2 · d · m

El número de aerogeneradores del parque será:

N = N1 · N2

Es decir,

N = L1 · L2 / m · (n+1) · d2

Por otro lado, el área ocupada por el parque eólico será:

AP = L1 · L2

El número de aerogeneradores por unidad de área del parque está dado por la fórmula:

N/Ap = 1 / m · (n+1) · d2

El área total barrida por los rotores del parque eólico será:

AB = (π · d2 / 4) · N

El coeficiente de aprovechamiento de la superficie será el cociente del área barrida total dividida por el área ocupada por el parque eólico. O sea,

CA = AB /AP = π / 4 · 1/ m · (n+1)

Según la práctica internacional, el espaciamiento entre aerogeneradores toma valores en el intervalo

3≤ n ≤ 5

Análogamente, el espaciamiento entre filas de aerogeneradores toma valores en el intervalo

5 ≤ m ≤ 9

En la Tabla 3 se dan los resultados de calcular, por las fórmulas antes mencionadas, los valores del coeficiente de aprovechamiento de la superficie (CA) y del número de aerogeneradores por unidad de área del parque (N/AP), para el aerogenerador seleccionado, cuyo rotor tiene un diámetro d = 60 m.

Por tanto, los valores del número de aerogeneradores por unidad de área del parque eólico se encontrarán en el intervalo

5 ≤ N / AP ≤14

El área del territorio nacional que posee vientos con velocidades no inferiores a 6,2 m/s, según la primera edición del Mapa de Potencial Eólico cubano, es

AT = 500 000 ha

Entonces, para una potencia unitaria de los aerogeneradores seleccionados, es:

PU =1 MW

Y para un coeficiente de aprovechamiento del territorio del 20%, esto es:

CAT =0,2

Se determinan los dos valores estimados extremos del potencial eoloenergético aprovechable nacional:

PEEA = (N / AP) · AT · PU · CAT = 5 000….14 000 MW(29)

Este es un valor estimado de la capacidad instalable en el conjunto de todos los parques eólicos que se pueden ubicar en las zonas de buen viento del país.

Para una velocidad media anual del viento de 6,2 m/s, los aerogeneradores actuales alcanzan un factor de capacidad del 25%. Esto es:

FC = 0,25

Un aerogenerador moderno de buena calidad está disponible para generar electricidad a partir del viento durante el 97% del tiempo. Es decir,

CD = 0,97

Puede considerarse que un parque eólico, razonablemente bien diseñado, presenta una eficiencia aerodinámica de 97%. Esto es,

EA = 0,97(32)

Entonces, el potencial eoloenergético técnico del país será:

PEET = PEEA · FC · EA · CD = 1 800.....3 290MW

Este es un estimado de la potencia media anual de generación que puede llegar a brindar el conjunto de todos los parques eólicos instalables en las zonas de buen viento del país.

Puesto que un año tiene un número de horas,

TA = 8 760 h/a

Entonces la producción anual de energía eólica del país será:

PEA = TA · PEET = 10,3…..28,8 TWh/a

Este es un estimado de la energía media anual generada que puede llegar a brindar el conjunto de todos los parques eólicos instalables en las zonas de buen viento del país.
Si esta misma cantidad de energía fuese producida por plantas termoeléctricas con un consumo específico de 350 g/kWh, se requeriría el gasto de 3,62 a 10,1 millones de toneladas de petróleo anuales.