Aporte energético-económico y ecológico de molinos de viento para el abastecimiento de agua de una unidad ganadera

The energetic-economic and ecological contribution of windmills for water supply in a cattle farm

 

Félix Ponce Ceballos1, Froilan Silvano Lozamamani2, Enrique Álvarez Torres3 , Yaudi Lafargue Rigondón4 y Alfredo Pérez Sendín3

 

1 Dr. C., Prof. Aux., Universalidad Agraria de la Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, Autopista Nacional km 23 ½, Carretera de Tapaste, San José de las Lajas, La Habana, Cuba, E-mail: felix@isch.edu.cu

2 Estudiante boliviano de la Universidad Agraria de La Habana (UNAH).

3 MSc. Prof. Aux., Universalidad Agraria de la Habana, Facultad de Ciencias Técnicas.

4 Ing., doctorante de la Universidad Agraria de La Habana (UNAH), trabajador del Instituto de Ciencia Animal (ICA), La Habana, Cuba.

 

RESUMEN

El presente trabajo se realizó en el Instituto de Ciencia Animal (ICA), San José de Las Lajas, provincia La Habana, en la unidad de ganado en desarrollo (bloque), con el objetivo de determinar el aporte energético-productivo y medioambiental de los molinos de viento del tipo multipala como fuente alternativa para el suministro de agua. Para determinar características de las velocidades del viento, la potencia eólica disponible, la eficiencia de transmisión de la energía y la magnitud de la contaminación que se deja de emitir por el uso de molino eólico multipala de baja velocidad, se empleó la metodología de la Asociación Danesa de la Industria Eólica. Se obtiene un ahorro de 5 882,9 L/año (4 929 kg/año) de combustible Diesel en la sustitución de la electricidad para el bombeo y para el trasiego de agua con las pipas; se evita la emisión 17,27 t/año de contaminantes a la atmósfera; se obtiene una ganancia de 5 882.94 peso/año y la inversión se recupera en 1,7 años.

Palabras clave: Energía, molinos de viento, contaminación ambiental.

ABSTRACT

The present work was carried out in the Institute of Animal Science (ICA), located in San José de las Lajas, Havana county; in the development livestock unit (block), with the objective of determining the energetic, productive, and enviromental contribution of the multi shovel windmills as an alternative source of water supply. To determinate the wind speed characteristics, available eolic power, power transmition efficiency and non-emitted contamination magnitude by the use of low speed multi shovel windmill. It was used the Danish Association of Eolic Industry methodologics. It was obtained a safe of 5 882,9 liters/year (4 929 kg/year) of fuel by the substitution of pumping electricity and water transportation by a water tanker, it was avoided the emission of 17,27 t/year of atmosphere pollutants. It was obtained an economic gain of 5882.94 peso/year and the investment will be recovered in 1,7 years.

Keywords: Energy, windmills, environmental contamination.

 

INTRODUCCIÓN

La energía es la capacidad que portan los subsistemas de la naturaleza y que constituye la base del desarrollo de toda sociedad. El petróleo es una fuente energética natural, pero no renovable; su uso indiscriminado por las sociedades modernas ha engendrado la insostenibilidad energética, económica y ecológica a nivel mundial (Baracca, 2007; Corp, 2003). A la crisis energética sobrevendrá la crisis alimentaria (Vásquez y Montesinos, 2007), por lo que para implementar políticas encaminadas a lograr un desarrollo sostenible, resulta de vital importancia la integración de los conceptos de alimentación y energía. En Cuba existe voluntad política para el logro de una base energética renovable, como premisa para convertirse en una potencia del desarrollo sostenible (Berris, 2008).

Por otra parte, el agua es un recurso finito e imprescindible para todos los seres vivos (Clark, 2008; Ruiz, 2008). No es posible el desarrollo del programa alimentario sin una fuente de abasto de agua y la tecnología para suministrarla según la demanda (Chávez, 1992). La energía eólica fue muy usada para el abastecimiento de agua para la ganadería y vivienda desde el siglo XIX y la primera mitad del siglo XX (Moreno, 2008). Pero el empleo del motor de combustión interna y la electricidad para el bombeo de agua, fue eliminando esta fuente renovable de energía desde la segunda mitad del siglo XX. En la actualidad el empleo de molinos de viento se constituye de nuevo en una estrategia viable para suministrar agua a la ganadería, ahorrando el combustible fósil que se emplea en la generación de electricidad, en motobombas y tractores encargados del abastecimiento de agua de los rebaños.

Por otra parte el cambio climático está modificando la velocidad del viento y su estructura vertical, alterando por tanto, los potenciales disponibles de energía solar y eólica de modo continuo (Fonte y Rivero, 2002). Esto argumenta el estudio de la capacidad de los molinos eólicos multipalas actuales, como fuente de energía renovable, antes los cambios puntuales del régimen de velocidad del viento, determinando su eficiencia energética, económica y su aporte ecológico en las condiciones concretas de una unidad ganadera.

MATERIALES Y MÉTODOS

Caracterización del bloque de ganado en desarrollo

La unidad de ganado bloque en desarrollo, cuenta con 55 ha de superficie destinada al pastoreo ; los pastos fundamentales son: Guinea, King Grass, CT-115 asociación de Leucaena y pasto estrella, Bermuda 68, y en sus áreas pastan 181 animales en sistemas de acuartonamiento. Estos son llevados al pastoreo por la mañana (7:00 a.m.), y regresan a la instalación a las 7:30 p.m, donde permanecen por toda la noche. La temperatura media anual en la región es de 24,69 °C en donde los valores más altos son en los meses de julio (27,3 °C) y agosto (27,4 °C). La precipitación anual es de 1626,8 mm y en los meses de mayo a octubre cae el 72,9% mientras que de noviembre a abril ocurre el 27,1% (440,9 mm). Se utilizaron molinos de viento del tipo multipala (Figura 1), cuyos parámetros de fabricación se observan en la Tabla 1. Para la toma de datos imprescindibles se empleó cinta métrica (1mm de precisión), probeta de 2000 mL (50 mL de precisión) y anemómetro portátil (pocket type)

FIGURA 1. Molino de viento multipala.

TABLA 1. Parámetros de fabricación del molino de viento del tipo multipala

Fuente: http://www.fiasa.com.ar/molinos_fiasa_spanish.htm (Google, 2008)

 

 

Cálculo de la potencia eólica disponible (Pd)

Para determinar la potencia eólica disponible por área expuesta al viento se aplica la siguiente expresión:

, W/m2                                                                                                   (1)

Donde:

Pd–potencia eólica disponible, W;

A-unidad de área expuesta al viento, m 2;

r-densidad del aire, kg/m 3;

n-velocidad del viento, m/s.

Cálculo de la potencia eólica aprovechable (Pa)

La potencia aprovechable por una máquina eólica de área A, frente a un flujo de aire de velocidad v y densidad del aire r es:

, W                                                                                         (2)

Donde Cp, denominado “coeficiente de potencia”, expresa la fracción de potencia extraída por el rotor, y es función de la velocidad del viento, Cp=f (v). Cp es un coeficiente que teóricamente depende del tipo de rotor; su valor es de 0,45 para rotores hélices de alta velocidad y de 0,30 para rotores múltiples de baja velocidad (molino de viento para bombeo, tipo americano).

Cálculo del consumo de agua mensual de los animales y la entrega real (Qnec) del aeromotor (Iglesias y Soto, 1988).

, m3                                                                                (3)

Donde:

K1-Coeficiente de irregularidad en dependencia de la época (1…1,3);

K2-Coeficiente de irregularidad en dependencia del día (1…1,25);

mi-Norma de consumo diario por categoría de animales, L/día;

gi-Cantidad de consumidores por categoría de animales.

Cálculo de la emisión de gases contaminantes

Fuente: Asociación Danesa de la Industria Eólica: http://www.windpower.org/es/tour/wres/betz.htm (Google, 2003; Moreno, 2008; Serrano, 2006).

La energía eléctrica que se emplea en el bombeo de agua para el suministro del ganado, antes de sustituirla por los molinos de viento, produce un efecto contaminante de la atmósfera que se calcula por la siguiente expresión:

, t (CO2)                                                                                           (4) 

Donde:

Gei-Gases de efecto invernadero, t (CO2 );

Ee-Electricidad estimada, MW·h;

0,75-índice equivalente de energía en emisión de CO2.

Por concepto de la utilización del Diesel, los efectos medioambientales se determinan empleando los valores correspondientes de la Tabla 2.

TABLA 2. Emisiones de CO2 por tipo de combustible fósil empleado

Fuente: http://www.windpower.org/es/tour/wres/betz.htm (Google, 2003)

Se realiza un análisis para determinar el efecto económico y el período de recuperación de la inversión.

RESULTADOS y DISCUSIÓN

Comportamiento de la velocidad del viento en los últimos 10 años

En la Figura 2 se observa la variación de la velocidad del viento mensual en los últimos 10 años, poniéndose de manifiesto que los meses de mayor potencia eólica son de enero a mayo y de noviembre a diciembre. En junio disminuye la velocidad del viento, llegando cerca de 2,9 m/s, y desde julio a octubre hay una frecuencia de velocidad aún más baja, del orden de 2,75 m/s aproximadamente.

FIGURA 2. Comportamiento de velocidad media del viento en los últimos 10 años (m/s).

Por otra parte en la Figura 3 se observa el comportamiento de la potencia eólica media aprovechable en (W), destacándose los meses de marzo y abril con un potencial alrededor de los 50 W, mientras que en los meses de julio y agosto disminuye al nivel mas bajo, es decir, apenas supera los 15 W. Esta variación de la potencia del viento, hay que tomarla en cuenta para determinar la necesidad de molinos en la unidad.

Demanda de agua del ganado y capacidad de entrega del molino de viento

La demanda de agua del ganado es menor en los meses de temperatura más baja (Figura 4), siendo los meses de enero y febrero los de menor demanda, alrededor de 300 m3/mes. En julio y agosto los animales consumen cerca de 400 m3 de agua cada mes, que representa un aumento del 25% más. Lo paradójico de estos resultados es que en los meses de menor demanda de agua por los animales hay un mayor potencial de energía eólica y una mayor capacidad del molino para bombear (Figura 4), y viceversa, en los meses de mayor consumo de agua por los animales como son julio y agosto, la energía eólica disponible es mínima y la capacidad de bombeo de los molinos se reduce también, en más de un 25%.

Número de aeromotores necesarios para el bombeo de agua

En los meses de julio y agosto, dado a la poca energía del viento disponible y aprovechable, es necesario colocar un número de molinos que sean capaces de bombear un volumen de agua suficiente para cubrir la demanda de los animales. En la Figura 5 se destaca que tres molinos son suficientes para satisfacer dicha demanda.

Efecto energético, económico y ambiental

Antes de la instalación de los molinos de viento se trasladan diariamente dos pipas de agua, cada uno con capacidad de 5,73 m 3 haciendo un total de 11,46 m3/día.

FIGURA 3. Variación de la potencia eólica media disponible durante el año (W)

Consumo de electricidad por unidad de volumen

El consumo de electricidad para llenar el tanque central que tiene una capacidad de 283,9 m3, es de 110 kWh, por lo tanto el consumo de electricidad por unidad de volumen es 0,39 kWh/m3. Para bombear la demanda de agua de los animales que es de 11,46 m3/día, el consumo de electricidad es 4,46 kWh/día, lo que es equivalente a 1 627,9 kWh/año.

Equivalente energético en kg de Diesel

Para producir 1kWh se necesitan 210 gramos de combustible fósil como mínimo, por lo tanto el consumo de 4,46 kWh/día corresponde a 936,6 gramos de combustible/día, equivalente a 341,85 kg/año. Para el traslado de las pipas de agua el tractor realiza dos viajes, y consume un total de 15 L/día de combustible diario, equivalente a 5 475 L/año. (4 588,05 kg/año).

Efecto económico

El efecto económico es correspondiente al consumo combustible Diesel que ya no se usa dado al empleo de los molinos de viento, y por las mismas razones se dejan de pagar 5 882.94 peso/año por concepto de ahorro de combustible empleado para el bombeo y traslado de agua en pipa hasta la vaquería. No se tiene en cuenta los gastos de mantenimiento y amortización del tractor y la pipa.

Periodo de recuperación de la inversión

El costo de la inversión de los tres molinos, incluido el costo de instalación es igual a 10195.70 pesos. La razón entre el costo de inversión de los molinos de viento y el ahorro económico de 5 882.94 peso/año da como resultado que la inversión se recupera en 1,7 años.

Emisión de gases contaminantes

La cantidad de gases contaminantes dejados de emitir a la atmósfera por concepto de no uso de energía fósil para la producción de electricidad para el bombeo de agua y el llenado de las pipas, así como el combustible que se deja de gastar para el traslado de las pipas en el abastecimiento de los bebederos es de 17,7 t (CO2)/año.

FIGURA 4. Grafica de la capacidad de entrega del molino y demanda de agua por el ganado (m 3 ), durante los 12 meses del año.

FIGURA 5. Gráfica de variación de entrega de molinos de viento contra consumo de agua de los animales en los meses del año.

CONCLUSIONES

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BARACCA, Á.: “ La Insostenibilidad del petróleo”, Revista Energía y Tú , (37): 25-26, 2007.

BERRIS, P. L.: “El futuro depende también de nosotros”, Revista Energía y Tú, (43): 28 -30, 2008.

CLARK, A. I.: “Oro azul”, Revista Energía y Tú, (43): 8-21, 2008.

CORP, L.: “Energía e indicadores de desarrollo energético sostenible”, Revista Energía y Tú , (24): 2003.

CHÁVEZ, M. D.: Bombeo de agua con energías no convencionales Hojas de divulgación técnica CEPIS, [en línea] 1992, Disponible en: http://www.cepis.ops-oms.org/eswww/proyecto/repidisc/publica/hdt/hdt051.html [Consulta: febrero 3-2008].

FONTE, H. A.; V. RIVERO: “Escenarios de cambio climático para la energía solar y eólica durante el siglo XXI”. Revista Eco Solar, (2): 2002.

GOOGLE: Características de construcción del molino de viento multipala, [en línea], Disponible en: http://www.fiasa.com.ar/molinos.fiasaspanish.htm [Consulta: 16 de Mayo de 2008].

GOOGLE: Asociación Danesa de la Industria Eólica. Manual de Referencia sobre la Energía Eólica [en línea], Disponible en : http://www.windpower.org/es/tour/wres/betz.htm [Consulta: 12 de Mayo de 2003].

IGLESIAS, C.; W. SOTO: Mecanización de los procesos pecuarios , pp. 68-74, Tomo II, Indicadores para el cálculo de agua necesaria, Editorial ISCAH, La Habana , Cuba, 1988.

MORENO, F.: “El concepto danés”, Revista Energía Tú, (44): 2008.

RUIZ, L.: “Agua: Recurso vital y finito”, Revista Energía y Tú, (41): 2008.

SERRANO, M.: Protección ambiental y producción más limpia, 30pp., Tabloide Universidad para todos, ISBN: 978-959-270-097-0, 2006.

VÁSQUEZ, G.; L. MONTESINOS: “Alimentación, Energía y Sostenibilidad”, Revista Energía y Tú, (39): 2007.

Recibido 05/01/09, aprobado 18/12/09, trabajo 62/09, investigación.