Síntesis de la metodología utilizada para la elaboración del Mapa Eólico del Uruguay

Generalidades

La prospección de un recurso energético requiere acercamientos a su estimación en sucesivas etapas. En particular, el recurso eólico requiere como primera etapa una visualización del clima de vientos en el país donde se busca desarrollar su explotación.

El desarrollo del mapa eólico está basado en información meteorológica obtenida en estaciones meteorológicas de superficie, es decir que los sensores se ubican en mástiles a determinada altura sobre el suelo. Las mediciones que se utilicen deben conformar series históricas “largas”. A los efectos de fijar ideas, si la información meteorológica se ordena en periodos de un año, se requeriría al menos tres periodos. Es de destacar que en la medida que se busca describir el clima de vientos en una región, y considerando que se requieren series históricas largas, la información disponible en series históricas tri horarias seria adecuada a los efectos de construir el mapa eólico, debiéndose asegurar que el banco de datos no presenta sesgo alguno de estacionalidad.

En la medida que el mapa eólico se deduce a partir de información meteorológica, ésta debe presentar una calidad que asegure la representatividad del mapa eólico.

Esto significa que las series históricas no pueden presentar faltantes, deben ser simultáneas y ser consistentes entre sí. Asimismo, se debe asegurar que el banco de información sea consistente con la física que determina el clima de vientos en la zona analizada.

A los efectos de lograr tales características, como primer paso debe conducirse un análisis de calidad de las series utilizadas, tanto tomadas individualmente como integrando una base de datos. Esto es posible utilizando descriptores estadísticos y técnicas de estadística multivariada.

Análisis multivariado de las mediciones

El Clima de Vientos en una cierta región, como lo es el Uruguay, se encuentra determinado por una serie de estados de la atmósfera, y a la ocurrencia en forma sucesiva de diferentes factores o forzantes meteorológicos.

Estos factores meteorológicos pueden ser ordenados en función de la escala geométrica y temporal que presentan. Los factores de mayor escala son los denominados factores sinópticos, los cuales presentan escalas espaciales del orden de los cientos de kilómetros y escalas temporales de algunos días (por ejemplo un frente polar, o la sucesión de sistemas ciclónicos o anticiclónicos).

Los factores de escalas intermedias o de meso escala, presentan escalas geométricas del orden de decenas de kilómetros y escalas temporales de horas. En nuestro país, el evento climático que presenta esta escala es el fenómeno de las brisas marinas. Una tercera categoría de factores meteorológicos son los de micro escala, de longitudes de entre cientos de metros a algún kilometro, siendo los más usuales la interacción entre el viento y las colinas, los bosques o las edificaciones.

En función de la escala del factor meteorológico que se presenta en una situación dada, se establece una cierta correlación entre las componentes del vector velocidad de viento que se registra en cada una de las diferentes estaciones. Esta correlación se eleva en la medida que se incrementa la escala del factor meteorológico.

Se plantea el uso de una metodología que permita identificar direcciones de viento en la cual la correlación resulta extrema. La técnica que se utiliza en este trabajo es la de los patrones principales. Estos vectores se determinan a partir de los auto vectores de la matriz de correlación de las observaciones (Preisendorfer, 1988, Jackson, 1991).

Se dividió el país en tres grandes zonas, y para cada una de ellas se determinaron los patrones principales, correspondientes a las observaciones que se realizan en sus estaciones meteorológicas.

Estaciones utilizadas

Para la construcción de este mapa eólico se utilizaron un total de 27 series de medida de vientos (estaciones de medición):

• 19 instaladas por la empresa UTE
• 6 del Ministerio de Defensa (Dirección Nacional de Meteorología y Servicio de Oceanografía, Hidrografía y Meteorología de la Armada, SOHMA)
• 3 de la Facultad de Ingeniería de la UDELAR.

La red de monitoreo requerida a los efectos de disponer la información necesaria para alimentar y verificar un modelo utilizado para la evaluación del potencial eólico, debe asegurar la cobertura de los diferentes tipos de comportamiento que presenta el viento en el Uruguay, caracterizando la forma que adoptan los diferentes patrones climáticos que determinan el clima en el Uruguay.

Descripción del modelo numérico

El Mapa Eólico en Uruguay, se desarrolló utilizando un modelo numérico de conservación de masa, que permite resolver el flujo a micro escala meteorológica, con una escala de entre cientos de metros a algunos kilómetros, a partir de series de viento generadas por mediciones efectuadas en estaciones meteorológicas. Esto permite deducir la serie temporal de velocidad de viento, en zonas donde no había registros meteorológicos previos.

El modelo numérico de interpolación toma como volumen de trabajo un recinto comprendido entre el suelo y una altura variada sobre el terreno, que sería la altura de la capa límite o la altura de la capa de mezcla, que se suponen superficies impermeables al flujo; y bordes laterales, que son permeables al paso del viento.

El modelo sigue la metodología propuesta por Sherman, 1978, que propone ajustar el campo de velocidades de viento utilizando como ecuación de trabajo la de conservación de masa.

Un antecedente de la aplicación de esta metodología se encuentra en López, 1993.

El algoritmo del programa para la resolución del problema se basa en el Método de los Elementos Finitos, lo que permite un fácil tratamiento de las condiciones de borde y de la topografía compleja.

El campo inicial de velocidades se determina utilizando una relación que pondera los registros de viento instantáneos, con pesos inversamente proporcionales a la distancia.

El modelo toma como datos de entrada las series históricas de medidas en cada estación,  llevadas a una altura común y la rugosidad del suelo en cada una de ellas para todas las direcciones. A partir de estos datos, el modelo extrapola en altura las series en cada estación, utilizando la información de la rugosidad del suelo según la ley logarítmica hasta aproximadamente los 120 metros, y luego la ley potencial, asumiendo un exponente n.

Se destaca que en esta aproximación se supuso que la atmósfera se conserva en estado neutro.

La rugosidad en las estaciones para cada dirección es introducida como dato de entrada al modelo para poder realizar la extrapolación vertical.

La información sobre la topografía del Uruguay se obtuvo a partir de la base de datos: SRTM data V1, 2004, International Centre for Tropical Agriculture (CIAT). En esta base de datos se dispone de valores de cota de terreno en una grilla con un paso de 90m.

Debido a que se dispone de capacidad de cálculo limitada, se elaboró una estrategia de cálculo del tipo “encajonada”. Para el primer paso de cálculo se dedujo el mapa eólico en todo el territorio nacional, determinando la velocidad en una grilla con un paso horizontal de 3km y en vertical de 30m. En el segundo paso, se definieron celdas de terreno cuadradas de aproximadamente 50km de lado, en cada una de las cuales se volvió a correr el modelo, ahora en una grilla.