Propuesta de desarrollo eólico en la Isla de Margarita a través de los proyectos de El Guamache y El Tunal

Contexto socioeconómico

La Isla de Margarita tiene una superficie de 1.072 km² y la habitan 482625 personas. La isla está caracterizada por la presencia de dos macizos montañosos unidos entre sí por un istmo de relieve muy bajo (INE, 2014a), cerca de Boca de Río (Figura 1). El macizo occidental se conoce con el nombre de Península de Macanao (El tunal, El Manguillo y Boca de Río) y el oriental como Paraguachoa (Juan Griego, Asunción, Porlamar, El Guamache). En ambos macizos existen dos paisajes dominantes: las zonas montañosas y las zonas planas costeras. Alrededor de estos conjuntos montañosos domina la llanura. Gran parte de la isla está formada por llanuras costeras aprovechables para el desarrollo de parques eólicos. La vegetación, debido a los efectos del fuerte viento constante de los alisios, se compone de una mezcla de zonas, con variados ecosistemas que comprenden desde la maleza desértica tropical, en las zonas bajas y secas de mayor incidencia del viento costero, hasta el monte espinoso y el bosque seco tropical en zonas de mayor altura (INE, 2014a). Las estaciones meteorológicas se han ubicado una en cada macizo montañoso, esto es, la estación meteorológica de El Tunal en la Península de Macanao y la estación meteorológica de El Guamache en Paraguachoa, como se muestran en la Figura 1.

Figura 1 Mapa de la isla de Margarita en el Mar Caribe venezolano. Las principales ciudades y pueblos se muestran en blanco y las estaciones meteorológicas para esta evaluación del viento se muestran en letras negras.

En la isla de Margarita hay 122.113 viviendas con un 99,48% de acceso a la red eléctrica, sólo 442 viviendas carecen de servicio eléctrico debido a su ubicación dispersa en zonas muy poco pobladas principalmente en la península de Macanao (INE, 2014b). El consumo medio residencial en las viviendas de la isla de Margarita es de 722 kWh/mes que, en total, representan un 57% del consumo eléctrico de la isla que son unos 1843 GWh/año. La demanda eléctrica media anual en la isla de Margarita es de 210 MW y la demanda máxima 390 MW, que se suplen por medio de 2 centrales termoeléctricas (Luisa Cáceres de Arismendi y Juan Bautista Arismendi) y un cable submarino desde tierra firme (MPPEE, 2013a). La Planta Luis Cáceres de Arismendi (PLCA) tiene una capacidad instalada de generación de 355 MW compuesta por 16 unidades termoeléctricas (López-González and Nava, 2015a). Estas unidades consumen, en promedio, unos 0,41 litros/ kWh generado lo que ha implicado una media de consumo anual de la planta de 492 millones de litros de gasoil al año, para generar unos 1200 GWh / año. De acuerdo con López-González and Nava (2015), estos niveles de generación, muy por debajo de la capacidad nominal, se deben al uso de combustible gasoil, en régimen continuo, en unidades turbo-gas provocando indisponibilidad y limitaciones en la capacidad de generación hasta rebajarlas a un 38,3% y un  41% de la capacidad nominal, respectivamente. La Planta Juan Bautista Arismendi (PJBA) tiene una capacidad de generación de 183,88 MW compuesta por 4 unidades de generación termoeléctrica (López-González and Nava, 2015b). Estas unidades consumen, en promedio, unos 0,41 litros/ kWh generado lo que ha implicado una media de consumo anual de la planta de 179 millones de litros de gasoil al año para generar unos 434 GWh/año. De acuerdo con López-González y Nava (2015b), estos niveles de generación, muy por debajo de la capacidad nominal, se deben al uso de combustible gasoil en unidades turbo-gas que ha provocado indisponibilidad y limitaciones en la capacidad de generación hasta rebajarlas a un 44,8% y un  79% de la capacidad nominal, respectivamente. El diésel para las dos centrales termoeléctricas es suministrado por barcos desde tierra firme.

Tabla 1.- Centrales Termoeléctricas de la Isla de Margarita

Durante su vida útil, esta central de generación emitirá 0,655 kg CO2 / kWh (EIA, 2019a), lo que implica unas emisiones equivalentes anuales de 1,07 millones de toneladas de CO2 / año. Adicionalmente, al ser Venezuela un productor de destilados del petróleo como el diésel y mantener un subsidio casi total a la energía eléctrica, el costo de oportunidad anual por mantener esta tecnología de generación basada en diésel asciende a los 570,35 millones de US$ / año (EIA, 2017). En la Figura 2, se muestra el área donde podrían desarrollarse el parque eólico del Guamache. Es una zona plana cercana a la costa del Mar Caribe, en el sur de la isla de Margarita. El parque eólico estaría ubicado adyacente a la central termoeléctrica Juan Bautista Arismendi, con la finalidad de aprovechar la infraestructura eléctrica de media y alta tensión ya desarrollada.

Figura 2 Área prospectiva para proyectos del parque eólico El Guamache, junto a la central termoeléctrica Juan Bautista Arismendi en el sur de la isla de Margarita (Venezuela)

Por lo tanto, se requiere de una migración a otra tecnología de generación suficiente para aportar potencia necesaria para reducir el uso de las centrales termoeléctricas PJBA y PLCA y así sus costes de operación y mantenimiento y, al mismo tiempo, cumplir con los acuerdos establecidos en la Agenda de Paris para el año 2030 (United Nations, 2015). En este trabajo, se evalúa la viabilidad de la implementación de dos parques eólicos en la isla de Margarita en la zonas de “El Guamache” y “El Tunal”, con la finalidad de reducir los costes por consumo de combustible y las emisiones del actual sistema de generación basado en combustibles fósiles.

Datos de medición del viento

Para la determinación de la isla de Margarita como zona prospectiva para el desarrollo de un gran potencial eólico se han realizado previamente mapas nacionales de potencial eólico con cooperación de la República de Portugal, por medio de la empresa eléctrica de ese país (EDP, 2010). Los resultados obtenidos apoyan la decisión de investigar a mayor profundidad el potencial eólico en diversos puntos del norte costero del país con especial atención a la Isla de Margarita. Esta isla tiene una velocidad promedio del viento, en el 10% más ventoso, de 8,43 m/s a 100 metros de altura y la dirección del viento es estable y constante desde el nor-este (DTU, 2019). En la Figura 3, se muestra un mapa de velocidades de viento de la isla de Margarita y las dos estaciones de medición instaladas a partir de las cuales se obtuvieron los datos para esta investigación.

Figura 3 100 metros de velocidad media anual del viento en la isla de Margarita en el mar Caribe venezolano. Se muestra la ubicación de las torres de anemómetros en El Tunal y El Guamache.

Para el inicio de las mediciones se tuvo como referencia la altura de aerogeneradores de fabricación actual, con potencias nominales iguales o superiores a los 1,6 MW, a los que corresponden alturas de buje que pueden oscilar en el rango entre 70 m y 100 m. Por lo tanto, según estas estimaciones preliminares, la altura de colocación del sensor más cercano a tierra fue de 20 m, con separaciones entre los sensores de velocidad de viento de 20 m, entre cada uno de ellos. En función de lo anteriormente expuesto, se instalaron dos torres con una altura de 80 m en “El Guamache” y “El Tunal”, con cuatro niveles de altura (80 m, 60 m, 40 y 20 m), tal y como se muestra en la Tabla 2. En cada una de las estaciones meteorológicas se midió además la dirección del viento a diferentes alturas, esto es, a 40 metros y a 80 metros de altitud.

Tabla 2 Estaciones Meteorológicas en la isla de Margarita y su ubicación

La topografía es totalmente plana en toda la zona adyacente a ambas torres de medición y la dirección predominante del viento en el norte de Venezuela es estable durante todo el año debido a la influencia de los vientos alisios del Atlántico Nordeste. Esto es consecuencia, principalmente, del clima tropical con temperaturas similares durante todo el año. En todo el norte de Venezuela, la situación es aproximadamente la misma, sin embargo, en la Isla de Margarita e Isla de Coche son mucho más estables que, por ejemplo, en el extremo occidental donde las montañas de los Andes provocan fluctuaciones ligeramente mayores en el viento durante el año (González-Longatt et al., 2014). En la zona adyacente a la torre meteorológica de El Guamache existe una disponibilidad de terrenos planos de 20,8 km2, directamente adyacentes a la planta termoeléctrica PJBA. Por otra parte, en El Tunal, existe un área disponible adyacente de 4,02 kilómetros cuadrados. En ambos casos, se pueden desarrollar uno o varios parques eólicos de diferente capacidad según las características técnicas de los aerogeneradores seleccionados.

Análisis de potencial eólico para el desarrollo del parque de El Guamache

A partir de un histograma de velocidades de viento en períodos diez-minutales, se obtiene los parámetros de forma (equation 3)  y escala (equation 4) de la distribución de probabilidades de Weibull para el viento a 80 metros de altura, resultando k=3,34 y c= 9,76 , respectivamente. El factor de autocorrelación para el conjunto total de datos procesados es r1 = 0,953. En la figura 3(A) se muestra el histograma de velocidades de viento medidas (columnas) y la distribución de Weibull correspondiente (dotted line). En cuanto a la dirección del viento, hay una clara dirección predominante desde el nor-este, con un vector resultante de 25º de este a norte y un 82% de probabilidades de ocurrencia. En la figura 3(B) se muestra la distribución de probabilidades de dirección del viento (rosa de vientos) para la estación de El Guamache.

Figura 3. (A) Distribución anual de la velocidad del viento y de Weibull para la torre El Guamache y su correspondiente distribución de las direcciones de la velocidad del viento representada en una rosa de viento (B)

De acuerdo a Kalmikov (2014), para la evaluación del viento existen siete escalas, válidas para mediciones a 50 metros de altura, que son: 1) Poor: between 0 and 6 m/s, 2) Marginal; between 6 and 6,8 m/s, 3) Fair: between 6,8 and 7,5 m/s, 4) Good: between 7,5 and 8,1 m/s, 5) Excellent: between 8,1 and 8,6 m/s, 6) Outstanding: between 8,6 and 9,5 m/s and 7) Superb: more than 9,5 m/s. Extrapolando los resultados para el Guamache, tomados a 80 metros, hasta 50 metros (equation 1), se pueden calificar los vientos de esta zona como de clase Outstanding (6). Las turbinas a utilizarse en este emplazamiento han de ser de la Clase IEC I (Zhang, 2015) .

Datos Mensuales de El Guamache

En Venezuela, el clima está determinado por la altitud y los vientos del norte que inciden sobre su costa del caribe que, a su vez, dependen de la posición relativa del sol durante el año. En este sentido, la amplitud de la variación anual promedio de la temperatura no es regularmente superior a los 4º, en ninguna localidad (INAMEH, 2017). En este sentido, existen solo dos estaciones; lluvia y sequía. La estación lluviosa va desde Mayo hasta Noviembre y la estación seca desde Diciembre hasta Abril. Para conocer la variabilidad estacional del recurso eólico se obtuvo el promedio mensual de velocidades de viento a 80 metros de altitud (Figure 4), a partir de las mediciones tomadas. El mes de menor velocidad del viento es Octubre con 8,15 m/s @ 80 m y el mes de mayor velocidad del viento es el de Mayo con 10,46 m/s @ 80 m. En el Guamache, la velocidad media del viento durante la estación lluviosa es de 8,35 m/s @ 80 m y la velocidad media durante la estación seca de 9,34 m/s @ 80 m.

Figura 4.- Promedio mensual de velocidad del viento basado en anemómetros de El Guamache a 80 metros de altura entre 2009 y 2012

Análisis de potencial eólico para el desarrollo del parque de El Tunal

A partir de un histograma de velocidades de viento en períodos diez-minutales, se obtiene los parámetros de forma y escala de la distribución de probabilidades de Weibull para el viento a 80 metros de altura, resultando k=2,67 y c= 7,85 , respectivamente. El factor de autocorrelación para el conjunto total de datos procesados es r1 = 0,914. En la figura 5 (A) se muestra el histograma de velocidades de viento medidas (columnas) y la distribución de Weibull correspondiente (dotted line). En cuanto a la dirección del viento, hay una clara dirección predominante desde el este, con un vector resultante de -3º de este a sur y un 84% de probabilidades de ocurrencia. En la figura 5(B) se muestra la distribución de probabilidades de dirección del viento (rosa de vientos) para la estación de El Tunal.

Figura 5. (A) Distribución anual de la velocidad del viento y Weibull para la torre El Tunal y su correspondiente distribución de las direcciones de la velocidad del viento representada en una rosa de viento (B)

Extrapolando los resultados para el Guamache, tomados a 80 metros, hasta 50 metros (equation 1), se pueden calificar los vientos de esta zona como de clase Good (4). Las turbinas a utilizarse en este emplazamiento han de ser de la Clase IEC III (Zhang, 2015) .

Datos Mensuales de El Tunal

Para conocer la variabilidad estacional del recurso eólico se obtuvo el promedio mensual de velocidades de viento a 80 metros de altitud (Figure 6), a partir de las mediciones tomadas. El mes de menor velocidad del viento es Septiembre con 5,59 m/s @ 80 m y el mes de mayor velocidad del viento es el de Junio con 8,26 m/s @ 80 m. En El Tunal, la velocidad media del viento durante la estación lluviosa es de 6,77 m/s @ 80 m y la velocidad media durante la estación seca de 7,32 m/s @ 80 m.

Figura 6. Promedio mensual de velocidad del viento basado en anemómetros de 80 metros de altura de El Tunal entre 2009 y 2012

A partir de la distribución de probabilidades de viento de Weibull (apartado 3.1) y considerando un conjunto amplio de tecnologías disponibles de aerogeneradores, se realizaron simulaciones con el System Advisor Model (SAM) (NREL, 2018) para obtener la curva de potencia y aerogenerador que provea el más elevado factor de capacidad y los menores costos de energía (COE $/kWh). Los resultados arrojan que para el emplazamiento de El Guamache, empleando aerogeneradores Vensys 112m 2500 kW de 2,5 MW y una altura de buje de 80 m, se obtiene un factor de capacidad del 74% y un COE de 1.2 US$ cents / kWh. Por otro lado, para el emplazamiento de El Tunal, empleando aerogeneradores Gamesa G114 de 2 MW de capacidad y una altura de buje de 80 metros, se obtiene un factor de capacidad de 63,9% y un COE de 1,70 US$ cents por kWh.

La demanda promedio mensual de la isla de Margarita es de 210 MW de los cuales, la península de Macanao representa apenas un 4,6%, alrededor de 10 MW de demanda promedio. Los restantes 200 MW son demandados en el resto de los municipios de la isla de Margarita en Paraguachoa. Considerando los factores de capacidad correspondientes a Guamache y Tunal, se han de instalar 270 MW de capacidad eólica en el Guamache y 16 MW de capacidad eólica en El Tunal. Las áreas requeridas para el desarrollo de estos dos parques eólicos son suficiente en ambos emplazamientos. En el caso de El Tunal el parque se compone de 8 aerogeneradores Gamesa G114 de 2 MW que ocupan un área de 1,15 km2, mientras que en El Guamache el parque se compone de 108 aerogeneradores Vensys 112m 2500 kW de 2,5 MW que ocupan un área de 33,48 km2. En la Figura 7 se muestra el sistema eléctrico actual de la Isla de Margarita y la ubicación de los dos parques eólicos propuestos.

Figura 7. El sistema de distribución y transmisión de energía eléctrica de la Isla de Margarita y los emplazamientos propuesto para el desarrollo de parques eólicos

En El Tunal la Annual Energy Production (AEP) sería de 89,54 GWh/año, mientras que en El Guamache la AEP sería de 1750,25 GWh/año. Con esta producción energética se cubriría el 99,8% del consumo energético anual de la isla de Margarita. Sin embargo, al considerar la variación diaria del viento, se requiere de 76 MW de capacidad termoeléctrica con turbinas de gas, de rápida respuesta como las que existen hoy en las centrales PJBA y PLCA. Esta capacidad tendría que aportar unos 665 GWh/año para la estabilización permanente de la generación eólico-termoeléctrica de la isla de Margarita. Sin embargo, esto representa una reducción en el 60% del consumo de gasoil y emisiones de gases de efecto invernadero. La reducción en el consumo de gasoil representa un incremento en las exportaciones equivalente a 200,4 millones de dólares al año. Considerando un costo del megavatio eólico de 1,5 millones de dólares (WindPower, 2019), el retorno de la inversión sin considerar las tarifas, únicamente por incremento en los ingresos por exportación de gasoil, se alcanza en menos de 3 años de operación continuas. Finalmente, considerando un factor de emisiones del gasoil de 0,655 kg CO2 / kWh (EIA, 2019a), las emisiones se reducen en 644,03 millones de Kg de CO2 al año.

Implicaciones en la política energética de Venezuela

La velocidad del viento y uniformidad en dirección y patrones diarios mensuales hacen de la isla de Margarita, tanto en El Guamache como en El Tunal, muestran características especialmente favorables para el desarrollo parques eólicos de gran capacidad instalada. Además, las características topográficas de un territorio plano con escasa vegetación xerófila, como en El Guamache y El Tunal, permiten que la capacidad eólica pueda irse incrementando progresivamente con una mínima afectación a la escasa fauna y flora de la zona. Los factores de capacidad de 74% y 63,9%, respectivamente, para los aerogeneradores propuestos en ambos emplazamientos, es muy superior a la media de parques eólicos en los Estados Unidos de América donde, de acuerdo con la  Energy Information Agency (EIA, 2019b), el promedio anual  del factor de capacidad oscila entre 32,2% to 37,4% desde 2013 hasta 2018.  En un país potencia en energía eólica como el Reino Unido, el valor promedio de los factores de capacidad oscila entre 21,8% y 28,4% (Department for Business, 2019). El alto factor de capacidad del conjunto de aerogeneradores propuestos tanto para El Guamache como para El Tunal, en la isla de Margarita, se deben a factores de forma elevados de 3,34 y 2,67, respectivamente. Esto implica un rango de variación en la velocidad del viento muy estrecho, permitiendo así que por medio de una selección apropiada del aerogenerador a ser instalado, en cada uno de estos parques eólicos, se obtengan elevados factores de capacidad.

Por otro lado, el alto factor de capacidad implica que el costo de la energía (COE) se reduzca. Se puede observar que el costo de la electricidad depende de las características del viento del sitio que, en este caso, son particularmente favorables. Además, estas condiciones implican un bajo factor de las centrales termoeléctricas de la isla de Margarita, PLCA y PJBA. En ningún caso se observan velocidades promedio mensual por debajo de la velocidad de arranque de los aerogeneradores lo que implica que el parque tenga horas de operación continua durante todo el año con el resultado de una AEP elevada. Esto repercute en un factor de capacidad correspondientemente elevado y unos bajos costos de la energía de hasta 1.2 y 1.7 US$ cent / kWh, respectivamente. Estos son valores relativamente bajos para parques eólicos. Este costo de la energía es inferior a los costos de la energía producida en centrales termoeléctricas venezolanas donde se utiliza combustible gasoil producido dentro del propio país (López-González, 2013). Es decir, los parques eólicos propuestos para la isla de Margarita, producirían energía eléctrica a menores costos que las centrales termoeléctricas de un país petrolero como Venezuela. Esto tiene importantes implicaciones en la necesidad de cambio en la política energética de ese país suramericano y caribeño.

El uso de energías renovables, implica revertir las políticas intensivas en desarrollo de termoeléctricas de los últimos quince años (A. López-González et al., 2018b) que han resultado nefastas para el sector eléctrico venezolano. En este sentido, se retornaría a la política energética previa de empleo de fuentes primarias no fósiles para la maximización de las exportaciones de combustibles y la minimización del consumo interno de derivados petroleros que se venía desarrollando desde finales de los 70´s del siglo pasado (López-González A, Domenech B, 2017).

Finalmente, el reemplazo de la generación termoeléctrica con gasoil por una generación eólica implica importantes reducciones en las emisiones de gases de efecto invernadero en cumplimiento con la Agenda 2030 de las naciones unidas de la cual Venezuela es firmante. Adicionalmente, al ser un país ubicado en la zona intertropical, Venezuela, está sujeta a los embates más intensos del cambio climático. Por lo tanto, el avance en la reducción de las emisiones significa dar pasos en la dirección de impulso a un cambio en la matriz energética para la mitigación de estos efectos con implicaciones políticas a escala regional, en Latinoamérica y en el Caribe, donde Venezuela tiene una importante influencia geopolítica.

Conclusión

En esta investigación se han analizado, por primera vez, datos reales de viento en dos emplazamientos de la isla de Margarita y se han extraído conclusiones técnicas pertinentes al desarrollo del potencial eólico con base en mediciones apropiadas realizadas por la empresa eléctrica venezolana para esos fines en específico. Los datos utilizados han sido revisados a profundidad y la metodología para el tratamiento de estos sigue las pautas establecidas para estos casos, algo que no ha sido publicado hasta ahora para emplazamientos en Venezuela, en ninguna revista científica internacional. La propuesta de avance en el desarrollo de energías renovables en Venezuela, está acorde a la mayor parte de los países miembros de la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) que están procurando una transformación de su matriz energética hacia el uso de energías renovables y este debe ser el caso de Venezuela que cuenta además con un potencial enorme en su zona norte costera. El potencial eólico de la isla de Margarita en el Caribe de Venezuela permite que los dos parques eólicos propuestos puedan irse ampliando en la medida que se incrementa la demanda. El desarrollo inicial del potencial con dos parques eólicos, en El Guamache y El Tunal tiene implicaciones importantes, considerando que es éste un país potencia en extracción y exportación de petróleo y derivados. En este sentido, la isla de Margarita es la más extensa y poblada de la República Bolivariana de Venezuela.

Las características particulares de la zona estudiada implican factores de capacidad muy elevados que repercuten en costos de energía competitivos y comparativamente mucho menores a los que tiene la generación termoeléctrica, incluso en un país petrolero como Venezuela. En este sentido, el desarrollo de energías renovables no es incompatible con la política petrolera venezolana sino que, al contrario, incrementa sus ingresos al minimizar el consumo doméstico de combustibles y maximizar las exportaciones hacia países industrializados con mayor tasas de eficiencia en el aprovechamiento de estas fuentes primerias de energía, arrojando así un saldo global favorable a la mitigación de emisiones y lucha contra el cambio climático de una forma económicamente beneficiosa para productores y consumidores de petróleo.

Alejandro López-González es Doctor en Sostenibilidad (Cum-Laude) por la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). Sus investigaciones sobre la sostenibilidad de proyectos de electrificación rural con energías renovables en Venezuela le valieron el reconocimiento como la mejor tesis doctoral en el período 2018-2019, según la comisión de doctorado de la UPC. Se graduó de ingeniero electricista en la Universidad del Zulia en 2004 y ha publicado más de una docena de articulos cientificos acerca de la sostenibilidad de la electrificación con energías renovables en países en desarrollo (email: ae.lopez.gonzalez@gmail.com)

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