Modelo de predicción de la potencia de un parque eólico marino en el Estrecho de Gibraltar

El objetivo último que motiva el desarrollo de este trabajo es construir un modelo de predicción de la potencia eléctrica que produciría un parque de aerogeneradores off-­‐shore en el Estrecho de Gibraltar, de unos 200 MW de potencia instalada, en periodos de un día, a partir de las predicciones de viento que proporciona ininterrumpidamente AEMET, la agencia estatal de meteorología española. Con este modelo predictivo se facilitaría la integración de la tan variable producción energética de los parques eólicos, dada su dependencia climatológica, en el mercado eléctrico español, promoviendo así la confianza en esta forma de obtener potencia. Es indiscutible que la evolución tecnológica del aprovechamiento energético avanza de la mano de las nuevas técnicas de explotación de los recursos renovables, por lo que es de esperar que la importancia en el mercado eléctrico de las denominadas ‘energías verdes’ crezca de forma exponencial, no sólo por sus beneficios a nivel medioambiental sino también por la independencia energética que concede a los países que invierten en su instalación. El recurso eólico se ha revelado en los últimos años como una de las fuentes energéticas renovables más fiables, llegando a alcanzar porcentajes altos de la producción eléctrica anual en aquellos países en los que se han construido parques de aerogeneradores. Cabe destacar el futuro prometedor de la tecnología off-­‐shore, que avanza año tras año, reduciendo los costes de su instalación y aumentando su capacidad de producción. En España, se ha invertido mucho en explotar la energía eólica on-­‐shore, de manera que los mejores terrenos han sido ya ocupados o están en trámites de autorización y cada vez es más difícil encontrar zonas con altas velocidades de viento sin explotar. Parece lógico pensar que sea cuestión de tiempo que se empiecen a instalar parques eólicos off-­‐shore, habiéndose ya estudiado y demostrado la buena calidad del recurso eólico en distintas zonas del litoral español. En especial, este estudio se centra en la zona del Estrecho de Gibraltar, cuya situación geográfica la convierte en un entorno único y rico en recursos renovables. Es la puerta de entrada al mar Mediterráneo, que separa dos continentes: el africano y el europeo, lo que lo convierte en un punto de encuentro de grandes flujos energéticos, tanto eólicos como marinos. Este trabajo se erige sobre otro anterior en el que se estudió el emplazamiento más adecuado para instalar dicho parque, así como el modelo de aerogenerador off-­‐shore que mejor se ajusta al perfil de vientos de la zona. Por tanto, no se considera parte de este estudio discutir la calidad del emplazamiento o el aerogenerador seleccionado, sino simplemente utilizarlos como base para construir el modelo de predicción perseguido. En el desarrollo del modelo, se deben superar los siguientes obstáculos, que se aprovechan para dar orden y forma al trabajo realizado: -­‐ Primero, se evaluará la calidad de las predicciones aportadas por AEMET, que tienen su origen en el modelo HIRLAM, empleando técnicas básicas de procesado digital de imágenes. Para ello, compararemos de forma horaria, y en un periodo de tiempo lo más grande posible, las predicciones de viento con los valores reales medidos en determinadas garitas meteorológicas y boyas activas en el entorno del hipotético parque eólico marino. Con este estudio se podrá identificar, clasificar y cuantificar los errores cometidos por HIRLAM en los puntos elegidos para prevenir y evitar su efecto en el modelo final objetivo. -­‐ A continuación, se tratará de llegar a la velocidad del viento en la zona donde se situarían los aerogeneradores a través de diferentes hipótesis y se hará una comparativa de los resultados. En estas hipótesis se incluye un estudio de la frontera mar – tierra, incorporando el importante efecto de las brisas. -­‐ Todas las velocidades de viento de las que se ha hablado hasta ahora están medidas y predichas para 10 metros de altura sobre la superficie. Pero, para poder introducirla en la curva de potencia del aerogenerador (que proporciona el fabricante), hay que extrapolar ese valor hasta la altura de buje del mismo. Para ello, se ha recurrido a un perfil vertical logarítmico que, si bien no es el que mejor resuelve la inestabilidad atmosférica, ofrece resultados medios de una calidad aceptable para el alcance de este estudio. -­‐ Por último, sólo resta evaluar el comportamiento del parque como sistema de aerogeneradores, es decir, estudiar la disposición que optimiza la potencia instalada y el rendimiento del parque debido a la limitación asociada a las estelas. A la finalización de este estudio, se dispone de una herramienta capaz de predecir la potencia producida por este hipotético parque eólico off-­‐shore, a distancias temporales de un día, que previene los errores cometidos por los modelos de predicción climática. Su principal utilidad reside en la capacidad de ayudar a la correcta planificación del sistema eléctrico nacional, con suficiente antelación como para conseguir que la variabilidad de la producción de potencia de origen eólico deje de ser un inconveniente a la hora de instalar nuevos parques que exploten este recurso tan abundante en la península ibérica.The main objective that serves as a motivation in the development of this study is building an electric power prediction model for a hypothetical off-­‐shore wind farm (of around 200 MW installed power) situated in the Gibraltar Strait surroundings. It predicts the power production daily with the help of data continuously supplied by AEMET, the Spanish State Meteorology Agency. This prediction model would ease the integration of the changing energy production, given its weather dependency, in the Spanish electricity market, thus promoting the reliance in this way of obtaining power. It’s undeniable that the technological evolution of the energy production moves forward hand in hand with the new techniques of using the renewable resources, hence the importance of the ‘green energies’ within the electricity market will likely grow exponentially, not only for its benefits towards the environment but also for the energy independence they provide to those countries investing in their exploitation. The wind resource has proved to be one the most reliable renewable energy sources in the last few years, reaching high percentages of the annual electricity generation in those countries where wind farms have been installed. It is worth highlighting the promising future of the off-­‐shore wind turbines technology, which progresses year by year, reducing its installation costs and increasing its production capacity. In Spain, heavy investment has been made in exploiting the on-­‐shore wind energy. Consequently, the best places are already occupied or in authorization procedures and it’s increasingly difficult to find an unexploited land with high wind speeds. It seems logical to think that it’s a matter of time that off-­‐shore wind farms begin to be projected, even more taking into account that the good quality of the wind source at different areas of the Spanish coastline has already been studied and proved. Specially, this study focuses in the area of the Gibraltar Strait, whose geographic situation makes it a unique and rich in renewable resources environment. It’s the entrance door to the Mediterranean Sea, and it also separates two continents: Africa and Europe, turning to be a meeting point of great energy flows, both wind and current related. This study is based on a previous one in which the most suitable location for this power farm was surveyed, as well as the off-­‐shore wind turbine model which best adjust to the wind speed profile of the area. As the model is developed, the following obstacles have been overcome, which are used to give order to the work done: 1. Firstly, the quality of the AEMET wind speed predictions, which have their origins in the HIRLAM model, have been evaluated using basic techniques of digital image processing. In order to do that, the wind speed predictions have been compared, hourly and for a long period of time, with their real values, measured in different meteorological stations and buoys in the surroundings of the hypothetical off-­‐ shore wind farm. With this study, it is possible to identify, classify and quantify the errors made by HIRLAM in the selected points to prevent and avoid their effect in the final model. 2. Then, the wind speed in the area where the wind turbines would be situated will be approached through different hypothesis, whose results will be compared. In these hypothesis, a study of the land-­‐ sea boundary is included, bringing in the significant effect of the breezes. 3. All the wind speeds that have been handled until now are measured and predicted from a height of ten meters above the surface. But, to be able to introduce them in the wind turbine power curve (provided by the manufacturer), it is necessary to extrapolate those values to the turbine hub height. To that end, a logarithmic vertical profile has been used, it may not be the one who best solve the atmospheric instability, but it offers average results of a reasonable quality for this study’s scope. 4. The performance of the farm as a system of wind turbines has been evaluated, which means, studying the layout that optimizes both the installed power and the farm efficiency, due to the limitation associated with the wakes. 5. We have a tool capable of predicting the power produced by this hypothetical off-­‐shore wind farm, at temporal distances of one day and one week, which prevents the errors made by the weather prediction models. Its main utility is that it allows a correct planning of the national electric system, early enough to make the variability of the wind energy production stop being a drawback to invest in new wind farms to exploit such an abundant resource in the Iberian Peninsula.Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriale