Desalación Eólica Offshore en Gran Canaria
Estudio de Viabilidad realizado por BESEL S.A.
Durante la VI edición del Congreso Nacional de Medio Ambiente celebrado en Madrid durante el pasado mes de noviembre, BESEL presentó el estudio de viabilidad realizado para la instalación de una Planta de Desalación de agua marina impulsada por un parque eólico offshore en la localidad de Gando de Gran Canaria. Desarrollado por el Departamento de Energía y Medio Ambiente de esta ingeniería especializada en el campo energético cuenta con la financiación del Programa Nacional de Energía (PROFIT).
BESEL, S.A. se fundó en España en 1984 como empresa de Consultoría e Ingeniería orientada hacia los campos Energético, Tecnológico y Medioambiental. Desde su constitución, BESEL ha evolucionado especializándose y adaptándose a las necesidades empresariales.
Entre las principales actividades desarrolladas por BESEL se encuentran los estudios y proyectos de energías renovables. En esta aplicación de energías renovables, se emprendió el proyecto "Estudio de Viabilidad de Desalación Eólica Offshore", con financiación del Programa Nacional de Energía (PROFIT, 2001).
El proyecto tiene una doble importancia porque por un lado, se estudia la viabilidad de una solución innovadora para la producción de agua desalada a gran escala empleando energía renovable y por otro lado, porque ésta procede de un parque eólico situado en el mar (parque eólico offshore), por los que se ha despertado un reciente interés en otros países europeos, pero cuya implantación aun no ha llegado a España.
Esta solución de desalación aporta diversas ventajas; entre las tecnológicas destacan, la capacidad de producción combinada de agua y electricidad, el aprovechamiento del recurso eólico para disminuir las grandes necesidades energéticas de las plantas de desalación, la posibilidad de almacenar la electricidad en forma de agua desalada, e implica mejores condiciones para la captación e impulsión del agua desalada. También destacan las ventajas medioambientales, como el aprovechamiento de un recurso renovable evitando contaminación atmosférica, las mejores condiciones del recurso eólico offshore que en tierra y las mejores condiciones para el vertido de la salmuera. El objetivo de este proyecto consiste en determinar la viabilidad técnica y económica de suministrar o disminuir las necesidades de energía de una planta de desalación a gran escala por medio de energía renovable procedente de un parque eólico offshore.
Desarrollo del proyecto
Para el análisis de viabilidad se seleccionó un emplazamiento potencial en Gran Canaria, en la localidad de Gando, que reunía las características adecuadas para una instalación offshore, analizando las condiciones que influían en el diseño y viabilidad de la misma (batimetrías, recurso eólico, condiciones marítimas y recurso y demandas hídricas y eléctricas). Se analizaron también los posibles impactos ambientales y socioeconómicos generados.
También se estimaron los costes asociados, tanto de inversión como de operación y mantenimiento, de la planta de desalación y del parque eólico offshore (especialmente los costes de energía de la planta de desalación), y los ingresos por la venta de la electricidad y por la venta del agua desalada y se estudió la rentabilidad para distintas capacidades de producción de agua desalada, determinándose la capacidad óptima de los sistemas.
Se realizó un dimensionamiento básico del parque eólico offshore y de la planta de desalación con la capacidad seleccionada y de sus respectivas conexiones a tierra eléctrica e hídrica.
El funcionamiento de la instalación se realiza por medio de un sistema de control, cuya lógica consiste en optimizar la producción de agua o la venta de electricidad en los periodos más oportunos y según la demanda existente. Este sistema de control también permite otros modos de funcionamiento según las prioridades existentes.
Diseño básico de la planta de desalación offshore
La alternativa contemplada estaba configurada por un parque eólico y una planta de desalación, ambos situados en el mar.
Parque eólico offshore: 5 aerogeneradores de 2 MW, con una distancia entre ellos de 400 m., ocupando una longitud lineal de 2 km y a una profundidad máxima de la plataforma de 30 m. Es importante emplear aerogeneradores de potencia superior a 1 MW en parques offshore ya que los altos costes asociados a la construcción en el mar, hacen que éstos resulten más rentables que un mayor número de aerogeneradores de menor potencia.
Planta de desalación offshore: montada sobre una plataforma marina de superficie adecuada para albergar los 32 módulos de 1000 m3/día y la instalación eléctrica, mínima de 60 m x 40 m en total. Esta disposición permite disminuir las pérdidas energéticas entre el parque eólico y la planta de desalación, al estar más próximos entre sí. Permite una más eficiente captación del agua de mar y una impulsión del permeado (agua desalada) a la costa, menos costosa que la de salmuera en el caso de plantas de desalación en tierra.
Características del proyecto
Las principales conclusiones sobre la viabilidad del proyecto de desalación eólica offshore en el emplazamiento seleccionado indican que en cuanto al recurso eólico existe una buena disponibilidad de datos meteorológicos, suficiente para realizar una correlación con medidas reales. La velocidad media anual del viento registrada en la estación meteorológica terrestre de Gando (próxima a la zona de implantación del parque) es buena, del orden de 7 m/s a 10 m de altura. La producción anual estimada del parque offshore es de 31 Gwh/año, correspondiente a un factor de capacidad de 35,3% para el tipo de aerogenerador seleccionado.
Condiciones marítimas favorables
Las condiciones marítimas en Gran Canaria no son tan críticas como las que se dan en muchos de los proyectos offshore que se han realizado en el Mar del Norte donde por ejemplo, la formación de hielo sólido en invierno con espesores de hasta 600 mm, es determinante en la solución constructiva y la encarece.
Como cifras representativas, se pueden tomar algunas referidas a las Estaciones Oceanográficas de Gran Canaria, (altura significativa de las olas registrada en 1999-2000, inferior a 2 m en un 80% de las ocasiones; altura máxima registrada en 1999-2000, 6,20 m; niveles de marea entre 1992-1998, con un máximo de 3 m, un mínimo de 0,17 m y un nivel medio inferior a 1,5 m; y velocidad de corriente media registrada en 1998-2000, de 16 cm/s).
Demanda hídrica y energética
La escasez de agua es un problema característico en las Islas Canarias y además de su importancia social, limita el desarrollo de actividades como el turismo, que supone la mayor fuente de ingresos de la región. Esto ha llevado a la sobreexplotación de los acuíferos, empeorando la calidad de sus aguas, y a una gran implantación de la producción industrial de agua por desalación térmica y eléctrica, de agua de mar y salobre. Sin embargo, el funcionamiento de estas grandes plantas de desalación requiere un elevado consumo de electricidad o calor, suponiendo del orden del 20% de la producción eléctrica de Gran Canaria.
El empleo de energía eólica proveniente de un parque offshore es una solución que permitiría aprovechar este recurso en mayor cantidad y calidad y disminuiría así la producción eléctrica de origen térmico y con ella la contaminación asociada. Por todo ello, se evidencia que la alternativa propuesta en este estudio aporta beneficios en diversos frentes.
La demanda total de agua en Gran Canaria es de 149 Hm3/año. La producción de la planta de desalación offshore de 32.000 m3/día propuesta sería de 11,7 Hm3/año, con funcionamiento en continuo.
Un aspecto que también se considera en el proyecto es la conexión hidráulica que debe existir para evacuar el agua desalada producida en la planta. En principio, se ha considerado que el agua producida se evacuará a la red pública de suministro. La salmuera generada en el proceso, se verterá al mar. Asimismo, la insularidad del sistema eléctrico supone que la implantación de parques eólicos implique mayores ventajas que en los no insulares, respecto a la diversificación de las fuentes energéticas, la disminución de la dependencia exterior existente en las Islas Canarias, el uso racional de la energía y la minimización de los costes de la misma.
En el caso de Gran Canaria, considerando la potencia total instalada del orden de 685 MW y sumando los 30 MW que se podían otorgar en el concurso del año 2002, la cifra instalable era de 105.60 MW, alcanzándose un porcentaje de penetración de la energía eólica del 15%, que no se considera superior al crítico, máxime teniendo en cuenta que la planta sólo verterá electricidad cuando sea necesaria, y el resto del tiempo desalará.
Impacto ambiental
El proyecto se considera viable desde el punto de vista ambiental. Las obras previstas, siempre y cuando no sean modificadas durante el proyecto de construcción y funcionamiento, no representan alteraciones irrecuperables en el ecosistema. Las características ecológicas del proyecto presentan condiciones adecuadas de capacidad de regeneración y de evolución dinámica, que facilitarán la recuperación del equilibrio ecológico. De forma general, el empleo de energía eólica, se considera ventajoso, ya que fomenta el empleo de energías renovables mucho más limpias que las convencionales. Además, el emplazamiento offshore evita los problemas de disponibilidad de superficie en las Islas.
En lo referente a la planta de desalación, hay que tener en cuenta que el vertido de salmueras se realiza en zonas lejanas a la costa, con regímenes de corrientes grandes, por lo que la dispersión de la sal es más rápida, disminuyendo el impacto de vertidos cercanos a la costa.
El mayor impacto de la instalación será visual, por lo que habrá que desarrollar campañas de sensibilización e información ciudadana enfocadas a la importancia de las energías renovables.
Aspectos socioeconómicos
Dada la envergadura del proyecto los aspectos socioeconómicos son una variable muy importante, ya que afectan a un gran volumen de población. Por ello, se han analizado los potenciales impactos que podrían ocasionarse por la instalación de una desaladora eólica offshore en la Bahía Norte de la Península de Gando.
El beneficio más importante será que la desaladora permitirá cubrir la demanda de agua en un área de influencia donde la densidad de población y concentración industrial es bastante elevada, comparada con la de otras zonas de la Isla. Un valor añadido, para la aceptación por la población de esta infraestructura, es la notable mejora medioambiental que supone el hecho de alimentar la planta desaladora mediante una energía no contaminante.
Los posibles impactos negativos generados por la construcción de la planta serían los potenciales efectos sobre la pesca, así como los que pudieran afectar a Defensa y maniobras militares, ya que el emplazamiento se localiza próximo a la base militar de Gando.
Una vez evaluados los potenciales impactos socioeconómicos anteriormente señalados, se observa que, realizando un análisis global, son en su mayor parte positivos, mientras que los negativos son casi inexistentes y fácilmente minimizables si se adoptan medidas para paliarlos.
Infraestructura eléctrica
Dada la potencia del parque y la proximidad a la subestación en tierra, la transmisión de electricidad se realizará en corriente alterna. Los aerogeneradores generan a una tensión de 690 V y transforman a 20 kV gracias a un transformador incorporado en el aerogenerador. Estarán conectados entre sí a una tensión de 20 kV en corriente alterna empleando cables submarinos tripolares de 240 mm2. Para garantizar la redundancia de la conexión y con ello la fiabilidad (muy importante en estos parques offshore debido a su peor accesibilidad), de los dos aerogeneradores extremos del parque saldrán sendos cables submarinos que se conectarán a la subestación offshore.
Así, la plataforma no contendrá transformador de tensión ya que la tensión de la subestación de conexión es la misma, 20 kV; y las distancias entre ambos son pequeñas, lo cual resulta en un abaratamiento de tal solución.
Sin embargo, existen límites en cuanto a la potencia y excedentes de energía que se pueden verter, que se resolverán con el sistema de control. Por otro lado, dado que el sistema sólo producirá excedentes si la demanda de la desaladora está cubierta, la asociación del parque eólico y de la planta de desalación garantiza la prioridad de un funcionamiento aislado y con ello disminuye la dependencia de la red.
Planta de desalación de ósmosis inversa
La desaladora podrá funcionar tanto con abastecimiento combinado de la red y del parque eólico, como únicamente de la red o del parque en determinadas circunstancias. Debido a su concepción modular, la planta desaladora puede funcionar a capacidad variable, de modo que se conecten o desconecten los módulos en función de la potencia disponible, lo que permitirá adaptar la producción de agua desalada a la potencia eólica disponible y ajustar los excedentes o la demanda de energía para la producción de agua al periodo (valle, llano, punta) cuando sea más rentable verterla o adquirirla, respectivamente.
El modo de funcionamiento de los módulos de esta planta será siempre en condiciones constantes de presión y caudal, lo que redundará en un mejor funcionamiento de los mismos. Se han seleccionado módulos de gran capacidad, 1.000 m3/día que, aunque puede resultar en menor eficacia de la planta por mayores porcentajes de no funcionamiento de alguno de ellos, supone mayor caudal anual.
Aprovechamiento máximo del recurso eólico
La capacidad de la planta (32.000 m3/día) se ha dimensionado para aprovechar al máximo la potencia instalable en el emplazamiento (10 MW), lo que disminuye la dependencia energética exterior. Los módulos seleccionados tienen un reducido consumo energético gracias al empleo de un intercambiador de presión que recupera la presión de la salmuera para el proceso.
Cimentaciones
Un elemento de gran importancia en cualquier obra de ingeniería es la elección óptima de las cimentaciones que van a soportar el conjunto de la estructura, y más si éstas son offshore, donde su coste se multiplica.
Se han analizado las diferentes alternativas constructivas que existen en la actualidad, así como otras en proceso de investigación. Teniendo en cuenta las características particulares del emplazamiento, sobre todo la batimetría (20-30 m.), que los trabajos de construcción durarán poco tiempo, y que el espacio ocupado por las cimentaciones fuera el menor posible para intentar minimizar los costes asociados al proceso constructivo, se ha concluido que la solución que mejor se adapta a este proyecto es la estructura de tipo atirantada, ya que es la ideal para zonas donde las profundidades superan los 15 m., y se trata de una alternativa que reduce la superficie de apoyo ocupada en el fondo marino (aunque el área abarcada por los tirantes es mayor). El principal inconveniente es que el estado de desarrollo tecnológico en el que se encuentra es todavía incipiente aunque debido a los avances tecnológicos y constructivos, en poco tiempo podrá disponerse de esta tecnología.
Sistema de control
El sistema de control regula el funcionamiento automático de la planta para la producción combinada de agua y electricidad de modo óptimo. La regulación, tanto de la producción de agua desalada, como de los excedentes de energía a verter a la red, se realiza actuando sobre el número de módulos a conectar.
El objetivo del control es garantizar el almacenamiento de un volumen de agua desalada suficiente para cubrir el consumo de agua máximo durante una semana, que es el periodo de parada de la planta por operaciones de mantenimiento.
Así mismo, se han desarrollado los algoritmos necesarios para realizar la producción del volumen de agua necesario para el consumo diario en los momentos óptimos del día, periodos valle y llano, donde la energía a consumir de la red tiene menor coste. Los algoritmos contemplan también que la cantidad de excedentes vertidos a la red sea inferior a la cantidad permisible de excedentes a la red según la legislación aplicable y que además, estos excedentes se viertan en los periodos en que esta energía es más deficitaria en el sistema y tiene un mayor precio de venta (punta y llano). También se integran en el sistema alarmas para la visualización de situaciones de fallos.
Análisis económico y de rentabilidad
Consideraciones previas
Destaca la importancia que tiene el coste de la energía en los gastos de producción del agua, llegando a alcanzar porcentajes del 30 al 37% del mismo. El precio de compra del agua desalada es un parámetro que condiciona la rentabilidad del proyecto y varía según se venda directamente al consumidor o a la empresa distribuidora. Las plantas de desalación a gran escala son financiadas generalmente por las administraciones públicas, principalmente por las grandes inversiones que son necesarias para las mismas y para las infraestructuras asociadas (depósitos, redes de distribución e interconexión,..) y que suelen recogerse en los correspondientes planes hidrológicos.
Por lo tanto, en la comparación de los costes de producción del agua desalada habrá que tener en cuenta que dichas plantas no suelen incluir el coste de amortización. Por otro lado, también habría que incluir en estas comparaciones el beneficio industrial (19%) que las plantas gestionadas por empresas privadas cargan al coste de explotación.
Resultados
Para una potencia eólica instalada de 10 MW, y para las variables de partida del caso base, la capacidad de la planta que resulta más rentable para el funcionamiento autónomo de la misma es 32.000 m3/día.
Para las variables consideradas más probables (caso base estudiado), se obtiene que en el caso de funcionamiento de la planta con abastecimiento combinado (energía de red y del parque eólico) y con un funcionamiento en continuo, la rentabilidad de la planta alcanza niveles cercanos a los de plantas actuales. Se producen 11,68 Hm3/año y la rentabilidad del proyecto se materializa en un TIR del 15,43%, un VAN de 47,27 Millones de Euros, un PAYBACK de 7 años, con un precio de producción del agua de 0,692 Euro/m3 (0,484 sin amortización de la planta de desalación) y siendo la fracción de excedentes del orden del 19,2% de la producción eólica.
Las inversiones son de 27,5 M para la planta de desalación, y 18 M el parque eólico. Los gastos anuales son 1,18 M en compra de energía, 2,02 M y 0,45 M en mantenimiento de la desaladora y del parque eólico. Los ingresos anuales son 10,74 y 0,37 millones de Euros por venta de agua y electricidad y 3,60 M en amortizaciones.
En el caso de que se controle la producción de electricidad para vender los excedentes hasta el máximo permisible (actuando por medio del sistema de control) se incrementa la rentabilidad con respecto al caso base en el que sólo se vierten los excedentes de energía no aprovechables por la planta de desalación.
Análisis de sensibilidad
El análisis de sensibilidad determina que las variables más influyentes, por este orden son:
Precio de venta del agua
Producción eólica
Tasa de descuento
Costes de inversión
Costes de operación y mantenimiento
Precio de compra de la electricidad
Precio de venta de la electricidad
Más información
BESEL S.A.
Departamento de Energía y Medio Ambiente
Pº General Martínez Campos, 111º
28010 Madrid
Telf: 914 445 901
E-mail: energia.medioambiente@besel.es
Publicado el 7 de enero de 2003
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Ezomar Uzcátegui -