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The aim of this blog is to spread technical information about windturbines and relevant information about the wind sector in general

ARTICLE 194 (ENERGY) OF LISBON TREATY

1. In the context of the establishment and functioning of the internal market and with regard for the need to preserve and improve the environment, Union policy on energy shall aim, in a spirit of solidarity between Member States, to:

(a) ensure the functioning of the energy market;

(b) ensure security of energy supply in the Union;

(c) promote energy efficiency and energy saving and the development of new and renewable forms of energy; and

(d) promote the interconnection of energy networks.

2. Without prejudice to the application of other provisions of the Treaties, the European Parliament and the Council, acting in accordance with the ordinary legislative procedure, shall establish the measures necessary to achieve the objectives in paragraph 1. Such measures shall be adopted after consultation of the Economic and Social Committee and the Committee of the Regions.

Such measures shall not affect a Member State’s right to determine the conditions for exploiting its energy resources, its choice between different energy sources and the general structure of its energy supply, without prejudice to Article 192(2)(c).

3. By way of derogation from paragraph 2, the Council, acting in accordance with a special legislative procedure, shall unanimously and after consulting the European Parliament, establish the measures referred to therein when they are primarily of a fiscal nature.

SOURCE: http://www.lisbon-treaty.org/wcm/the-lisbon-treaty/treaty-on-the-functioning-of-the-european-union-and-comments/part-3-union-policies-and-internal-actions/title-xxi-energy/485-article-194.html

20% of Wind energy by 2030 in USA

In 2008, the Department of Energy of the United States published a report that showed the technical viability of an ambitious project: generating 20% of the electricity used in USA from wind energy by 2030.

The DOE, its National Laboratories and companies from the wind sector and the utility sector have cooperated in the development of this report.

The report is free: 20% Wind Energy by 2030: Increasing Wind Energy’s Contribution to U.S. Electricity Supply

OBJECTIVES

To examine the costs, impacts and challenges related to the goal of reaching 20% wind energy by 2030 or, in other words, reaching 300 GW of new installed wind capacity by 2030.

An estimate of the evolution needed of US new installed wind capacity is shown in the following figure.

Estimate of the new installed wind capacity for the 20% wind energy by 2030 scenario

ASSUMPTIONS

A comparison between two scenarios was needed to develop the report.

  • In the first scenario, 20% of the electricity used by consumers in the US is generated by wind energy.
  • In the second scenario, no new wind capacity has been installed from nowadays to 2030.

It is important to notice that the study does not make forecasts but analysis of a scenario. Moreover, the report does not consider the possible effects of support policies in the scenario.

The study takes the following hypotheses:

  • the consumption of electricity increases 39%, or 5,8 billion MWh per year, from 2005 to 2030 (EIA)
  • the production of the windturbines increases 15% during the period of time taken into consideration
  • the costs of the windturbines decreases 10% during the period of time taken into consideration

CONCLUSIONS

1. The following measures will be needed to reach the goal:

  • Improve grid transmissions,
  • Locations and permits selection,
  • Improve reliability and operability of wind systems, and
  • Increase windturbine manufacture capacity in the US.

2.  Increase installation windturbine capacity from 2000 by the year 2006 to 7000 by the year 2017.

3. This new capacity can be added to the grid by less than 0,5 cents per kWh.

4. There will not be limitations in raw materials availability.

5. Challenges related to the installation of new transmissions lines must be solved.

Benefits and costs of this plan are shown in the following table.

Source: DOE

Finally notice that electricity generated by wind is competitive, as shown in the figure below.

Source: DOE

20% de Energía eléctrica eólica en el 2030 en EEUU

En el 2008, el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) publicó un informe sobre la viabilidad técnica de un proyecto ambicioso: conseguir generar el 20% de la electricidad consumida en EEUU mediante la generación eólica para el año 2030. En la elaboración de este plan han contribuído el DOE y sus Laboratorios Nacionales, y compañías del sector eólico y distribuidoras eléctricas.

El informe es libre: 20% Wind Energy by 2030: Increasing Wind Energy’s Contribution to U.S. Electricity Supply

OBJETIVOS

El informe tiene como objetivos examinar los costes, los impactos y los retos asociados al proyecto de generar el 20% de la energía eléctrica de Estados Unidos mediante energía eólica, o en concreto, alcanzar 300 GW de nueva capacidad instalada eólica en el 2030. Una estimación del incremento de capacidad instalada eólica puede verse en la siguiente figura.

Estimación del incremento de capacidad eólica instalada anual en el escenario descrito

HIPÓTESIS DE TRABAJO

Para realizar el informe se comparó el escenario en el que en el 2030 el 20% de la energía eléctrica se generase con eólica, con un escenario en el que no se instalase más capacidad eólica desde la actualidad hasta el 2030. Hay que subrayar que el informe no trata de hacer una predicción sino que analiza el escenario objetivo. Además, en el informe no se consideran políticas de apoyo al desarrollo del sector.

Para realizar el trabajo se asume un incremento de energía eléctrica del 39%, es decir 5,8 mil millones de MWh anuales, desde el 2005 hasta el 2030 (EIA). Del mismo modo, se supone que la producción de los aerogeneradores aumenta un 15% en el mismo periodo mientras que los costes de los mismos decrecen en un 10%.

CONCLUSIONES

Como principales conclusiones se presentan las siguientes:

1. Para lograr el objetivo, serán necesarios:

  • mejorar las infraestructuras de red eléctrica,
  • armonizar emplazamientos y permisos,
  • mejorar la fiabilidad y operatibilidad de los sistemas eólicos, y
  • aumentar la capacidad de fabricación de aerogeneradores en EEUU.

2.  Será necesario aumentar el ratio de instalación de aerogeneradores de 2000 al año (en el 2006) a 7000 al año (en el 2017), es decir, multiplicarlo por 3,5.

3. La integración de esta nueva capacidad en la red puede hacerse de forma fiable por menos de 0,5 céntimos de dólar por kWh.

4. Alcanzar el objetivo no está supeditado a limitaciones en la disponibilidad de materias primas.

5. Será necesario resolver los retos que plantea la creación de nuevas líneas de transmisión, tales como su ubicación o el cargo de sus de costes.

A continuación puede verse una relación de costes y beneficios del plan para la sociedad estadounidense.  Puede verse un único coste de 50 céntimos por mes por hogar  frente a beneficios en reducción de emisión de gases,  de consumo de agua y de consumo de gas, y aumento en la creación de empleo.

Fuente: DOE

Finalmente subrayar que la energía de generación eólica es competitiva, como puede observarse en la siguiente imagen.

Fuente: DOE

NREL’s Windturbine design cost & scaling model (I): Introduction

The report titled Wind Turbine Design Cost and Scaling Model made by the National Renewable Laboratory (NREL) can be used to estimate the cost of a windturbine in a preliminary design stage.

The document is free: http://www.nrel.gov/wind/pdfs/40566.pdf

SOURCES OF INFORMATION

The study is made using three different information sources:

1. The studies made by the University of Sutherland ordered by the Department of Trade & Industry of the UK.

2. The WindPACT studies (Wind Partnership for Advanced Component Technology) and LWST (Low Wind Speed Technology) ordered by the Department of Energy of the USA and developed by the NREL.

3. The studies made by private companies as LM Glasfiber or TPI Composites.

OBJETIVE

The main objective of this report is double. First, the report estimates reliably the masses and costs of the components of a windturbine of a particular configuration. Second, the study hopes to measure the influence of economic indexes like the GDP or the PPI (Producer Price Index) in the cost of the windturbine.

CONFIGURATIONS

The study differentiates between land-based and offshore turbines.

In order to develop the model, the NREL assumes that the windturbine has the following characteristics:

  • Located in a 500 MW wind farm
  • With 3 blades
  • Upwind
  • Pitch controlled
  • Variable speed electronics

The inputs of the model are:

  • The machine rating
  • The rotor diameter
  • The materials for the tower and blades. Types: basic or advanced
  • The drive train configuration. Types: Planetary-helical three stages gearbox coupled with a high speed generator, One-stage gearbox coupled with a permanent magnet generator (medium speed), Multiple generators and Direct drive.
  • The capacity factor

Additionally, to develop the formulae for the offshore configuration, the report assumes the marine wind farm to produce 500 MW using 167 windturbines. The turbines are supposed to have 90 meters of diameter, 80 meters of hub height and to be installed 5 miles far from the coast and above a 10 meters deep sea bottom. The distance between turbines must be of 7 rotor diameters and they must be manufactured using basic materials (not advanced).

Spreadsheet to obtain the COE, masses and costs of a windturbine in a preliminary design stage

I have created a file to obtain estimates for the costs and masses of windturbines in a preliminary design stage with the formulas given in the WindPACT design cost and scaling model report.

The excel file has two spreadsheets: one for the land-based configuration and the other for the offshore configuration. Select the configuration of the windturbine (in other words, the materials for the tower and blades, and the configuration of the drive train) and introduce the inputs: machine rating (kW), rotor diameter (m), capacity factor, hub  height and low shaft spinning velocity (rad/s). The outputs are the masses and costs of the components of the windturbine and its cost of energy (COE).

The slideshare link of this file follows:

Spreadsheet to obtain the COE, masses and costs of a windturbine in a preliminary design stage

Considerations to take into account:

  • All costs are in $2002. Costs that were in $2003 in the original report have been converted to $2002 using the general inflation rate.
  • The spreadsheets take the format of the Cost Summaries shown in the report. The formulas introduced in the cells are copied from the written report.
  • Only the inputs and configuration cells can be modified.

Source: Windturbine design cost & scaling model

Hoja de cálculo para estimar los costes y masas de un aerogenerador

En el siguiente enlace de SLIDESHARE se encuentra un archivo excel que he elaborado a partir de las fórmulas del informe de costes WindPACT.

El archivo tiene 2 hojas: una para aerogenerador terrestre y otra para aerogenerador offshore. Se escoge la configuración del aerogenerador que se desea (es decir, el tipo de materiales empleados en la fabricación de la torre y de las palas y el tren de potencia) y se escogen las características técnicas del aerogenerador (potencia nominal, diámetro del rotor, velocidad de giro, factor de capacidad y altura del buje) y la hoja devuelve costes y masas de los componentes del aerogenerador, indicando por último el coste de energía.

Hoja de cálculo del COE, masas y costes del aerogenerador en diseño preliminar

En la hoja de cálculo hay que tener en cuenta las siguientes consideraciones:

  • Todos los costes están en dólares 2002. Los que en el informe original se encontraban en dólares 2003, se han reconvertido a $ 2002 con el dato de la inflación general de EEUU del 2002 al 2003.
  • En la hoja de excel se han introducido las fórmulas tal y como se presentan en el estudio de costes del NREL, adoptando el formato de los Cost Summaries que se presentan en el mismo informe.
  • Las celdas de configuración  e inputs son lás únicas que pueden cambiarse.

Fuente: Windturbine design cost & scaling model

NREL’s Windturbine design cost model (V) & Drive train alternative study report (I): Configuraciones de tren de potencia

A continuación se describen las configuraciones de trenes de potencia que son consideradas por el modelo de costes. Puede verse un resumen de ellas en la siguiente imagen. Todas las configuraciones se han estudiado para potencias nominales de 1,5 y 3 MW.

Configuraciones de trenes de potencia

Configuraciones de trenes de potencia del estudio

Fuente: NREL

Tanto el estudio de costes del NREL como su estudio sobre trenes de potencia de aerogeneradores consideran 4 configuraciones de trenes de potencia distintos para el aerogenerador.

1. CONFIGURACIÓN BÁSICA (MULTIPLICADORA DE 3 ETAPAS CON GENERADOR DE INDUCCIÓN DE ALTA VELOCIDAD) El estudio denomina configuración básica a la formada por una multiplicadora de 3 etapas, planetario-helicoidal más un generador de inducción a 1200 rpm de seis polos con rotor bobinado. El motivo de denominar “básica” a esta configuración es que es la más extendida comercialmente.

Configuración básica

Fuente: NREL

2. CONFIGURACIÓN DE DRIVE DIRECTO O SIN MULTIPLICADORA. Eliminar la multiplicadora trae ventajas ya que elimina los amplios gastos de mantenimiento y las cargas de fatiga de torsión asociadas. El generador utilizado es síncrono de imanes permanentes.  Esta configuración es más simple ya que es de menor tamaño, peso y coste comparado con el diseño básico.  Esta configuración está siendo empleada actualmente por Enercon o Lagerway.

Configuración sin multiplicadora

Fuente: NREL

3. CONFIGURACIÓN CON MULTIPLICADORA DE UNA ETAPA.  Esta configuración consiste en una multiplicadora de una etapa más un generador de imanes permanentes de velocidad moderada (100 rpm). Presenta como ventaja un  menor tamaño de generador.

Configuración de una etapa

Fuente: NREL

4. CONFIGURACIÓN MULTIPATH. De entre las posibles configuraciones multipath, el estudio escoge la configuración con multiplicadora de una etapa y 6 generadores de imanes permanentes a velocidad media (100 rpm).

Configuración con múltiples generadores

Fuente: NREL

Los costes de estas configuraciones varían en función de la potencia nominal de la máquina y de su diámetro del rotor según el estudio. En la siguiente gráfica puede verse las estimaciones de los costes de multiplicadora, generador y chasis para un aerogenerador como el V112-3MW de 112 m de diámetro.

Costes de tren de potencia para V112-3MW

Costes de tren de potencia para V112-3MW

Fuente: Elaboración propia a partir de los datos publicados en el estudio WindPACT de costes del NREL

En este caso se observa que la configuración que se estima más barata es la de una etapa con generador de imanes permanentes. La diferencia entre la configuración más barata y la más cara es del 60%.

Fuentes: www.nrel.gov, www.vestas.com

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