Estudio de la Viabilidad Técnico- Económica de un Parque Eólico Marino en la Costa de Massachusetts

NOMBRE PROGRAMA / Nombre profesor

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Proyecto Fin de Máster

Estudio de la Viabilidad Técnico-

Económica de un Parque Eólico

Marino en la Costa de Massachusetts

Máster de Energías Renovables y Mercado Energético

Año de realización: 2011-2012

Jonathan Cabrero Sánchez

Alfonso Medal Rendal

Luis Armando Pagán Quiñones

Alberto Rengel Bueno

Tutor: Juan Amate

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MERME

1. Objeto del proyecto

2. Selección del emplazamiento

3. Análisis del emplazamiento y definiciones físicas

4. Afecciones medioambientales y restricciones

5. Diseño del parque eólico

6. Regulación, jurisdicción, cuestiones legales y políticas

7. Análisis de viabilidad

8. Conclusiones

Índice

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1. Introducción

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Objeto del proyecto MERME

Objeto del proyecto

Selección del emplazamiento

Análisis físico y climatología

Afecciones medioambientales y

restricciones

Diseño del parque eólico

Regulación y jurisdicción

Análisis de viabilidad

Conclusiones

Diseño de un PEM

Viabilidad económica

Viabilidad ambiental

Viabilidad técnica

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2. Selección del

emplazamiento

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Selección del emplazamiento MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

¿Por qué EEUU?

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Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Clara oportunidad de desarrollo

Varios proyectos de referencia

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Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Gran potencial (> 1000 GW); Target DOE 54 GW 2030

Apoyo gubernamental y social

“Gosnold Wind Energy Area”, 51Km2

50kms

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3. Análisis físico y

climatología

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3.1 Estudio físico del

emplazamiento

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Geología del fondo marino MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Estudios geofísicos + Estudios geotécnicos

Estudios geofísicos

Geopulse

o

Boomer

Perfilador “Chirp”

Side Scan Sonar (SSS)

Estudios geotécnicos

Vibrocorer

&

Cuchara de Van Veen

CPTU´s

o

Piezóconos

Sondeos mecánicos

Características: dureza, resistencia, estratificación, deformación,

permeabilidad de las capas.

Lecho r

ocoso

:

Esq

uit

o y

gneis

75 m

suelo

com

pacta

do

2 m

de

sedim

ento

s

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Batimetría y relieve marino MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Análisis batimétrico mediante ecosonda

Profundidad de Gosnold Area entre 4 y 18 metros

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Salinidad MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Protección frente a la corrosión

33 gramos/litro de agua

Incremento en aguas oceánicas

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Oceanografía:olas, mareas y corrientes MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Caracterización de cimentación y ventana de operación

Olas: Altura media significante de 1.25 m /periodo de 5 seg.

Mareas: Carrera de mar media de 1 m

Corrientes: velocidad de 0.3 m/s y máximas de 0.6 m/s

ESTACIÓN BUZM3

Estación Latitud Longitud Carrera media

de marea (m)

Carrera máxima de

marea (m)

Nivel medio de

marea (m)

Cuttyhunk 41° 25,5' 70° 55,0' 1,027176 1,2954 0,551688

Gay Head 41° 21,2' 70° 49,8' 0,88392 1,0668 0,4572

Nomans Land 41° 15,7' 70° 49,0' 0,9144 1,09728 0,48768

Block Island 41° 10,4' 71° 33,4' 0,86868 1,069848 0,469392

Penikese Island 41° 27,0' 70° 55,3' 1,03632 1,28016 0,54864

Sakonnet 41° 27,9' 71° 11,6' 0,966216 1,216152 0,51816

Media de velocidad y dirección

Ascendente Descendente

Estaciones Profundidad Latitud Longitud Velocidad

(m/s)

Direcció

n

Velocidad

(m/s)

Dirección

Gay Head, 1.5 miles northwest of 7 41° 21.8' 70° 51.8' 1,0288 12 1,0288 249

Old Harbor Pt., 0.5 mile southeast of 7 41° 9' 71° 32' 0,10288 336 0,30864 175

Black Point, SW of, Sakonnet River 15 41° 30.4' 71° 13.2' 0,20576 12 0,20576 194

Brenton Point, 1.4 n.mi. southwest of 7 41° 25.9' 71° 22.6' 0,20576 347 0,30864 170

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3.2 Climatología

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Temperatura MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Tª del aire: entre -5ºC y 25ºC

Tª del agua: entre 4ºC y 19ºC

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Viento MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Mas de 8.5 m/s: Excelente

8.0-8.5 m/s: Altamente fav.

7.5-8.0 m/s: Favorable

7.0-7.5 m/s: Adecuado

Menor de 7.0 m/s:

Inadecuado

Gran Potencial evaluado por NREL/Truewind Solutions LLC

NOAA y BOEMRE

Velocidad media: 8.5 m/s a 9 m/s medidos a 90 metros

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Clima extremo MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Selección de la zona correcta

Categoría Velocidad de Vientos Cantidad

Categoría 5 (Mayor de 69 m/s) 0

Categoría 4 59 m/s-69 m/s 0




Tormenta Tropical 17 m/s-32 m/s 6

Depresion Tropical Menor de 32 m/s 0

Máxima categoría

3

Vel.max = 58 m/s

23 impactos

en

75 años

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4. Afecciones

medioambientales y

restricciones

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Fuentes y Referencias MERME

Objeto del proyecto

Elección del emplazamiento



restricciones




Conclusiones

Definición de las áreas críticas y potenciales impactos

NREL

Executive Office of Energy and

Environmental Affairs (EEA)

Cape Wind Final EIS

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4.1 Impacto Medioambiental

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Hábitat MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

AVIFAUNA

Especies Migratorias:

La zona del Massachusetts

se encuentra en la ruta

migratoria del atlántico. 7 de

cada 10 millones de aves

emplean las zonas Medio-

Norte atlánticas como áreas

de paso.

Charrán Rosado

Charrán Ártico y común

Golondrina Marina

Otras especies Costeras y

Marinas

Pato Havelda

Principales impactos

Negativos

1. Colisiones y mortalidad

2. Pérdida del hábitat físico

3. Efecto barrera

ENDANGERED SPECIES ACT

OF 1973

MIGRATORY BIRD TREATY

ACT (16 U.S.C. 703-712)

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Hábitat MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

ENDANGERED SPECIES ACT

OF 1973

MARINE MAMMAL

PROTECTION ACT OF 1972 MAMÍFEROS Y REPTILES

Principales Especies a

analizar:

Ballena (Right, Humpback,

Fin)

Foca (Gray, Harbor)

Tortuga marina

(Loggerhead, Hawksbill)


Negativos

1. Pérdida de hábitat

2. Ruido: operación (baja

frecuencia) y montaje

3. Fragmentación de rutas

migratorias

4. Colisión con estructuras

situadas bajo el agua

Positivos

1. Reducción de actividad

pesquera

2. Arrecifes artificiales

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Hábitat MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

BENTOS Y COMUNIDADES

PISCÍCOLAS

Más de 200 especies en

el estado de

Massachusetts


Negativos

1. Eliminación temporal o a

largo plazo de los bentos

2. Cambios en la

composición y el número de

especies

3. Cambio de las

condiciones del hábitat

4. Creación de un nuevo

hábitat para especies

invasoras

5. Campos

electromagnéticos

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4.2 Restricciones y usos

humanos

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Restricciones y usos humanos MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

PESCA

• Principal uso del área de estudio

• New Bedford: 1.6 bilones $/año; 500 embarcaciones

USOS RECREACIONALES

• Componente medioambiental, social, económico y cultural

• Zona externa al emplazamiento

USOS MILITARES

• Zona sur de Marta Vineyard

TRÁFICO MARÍTIMO Y AÉREO

• El emplazamiento no entorpece las vías de navegación

CONDUCCIONES

• Servicios de telecomunicación y energía a las islas colindantes

• Hidrocarburos

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Receptividad social MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Maximizar el contenido local

Trabajar con las “UNIONS”

80% de aceptación del proyecto de Cape Wind

Grupos de Presión: Familias adineradas en la zona de Marta Vineyard (Kennedy)

Cape Wind

PEM

Marta’s Vineyard

Zona de emplazamiento definida como potencial por el propio Estado

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5. Diseño del parque

eólico marino

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5.1 Logística e instalación

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Distancia al emplazamiento

Accesibilidad terrestre y marítima:

barcos de transporte, barcazas y

remolcadores, embarcaciones de

instalación (jack-ups & grúas

flotantes)...

Profundidad, capacidad de carga,

apertura lateral…

Staging area cerca del puerto para

almacenaje de los componentes

Área de oficinas, montaje, operación

de entrega

Almacén para componentes eléctricos

& otros equipos

Elección del puerto MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Viabilidad del puerto de operaciones

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Staging Area MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

NEW BEDFORD

Gran importancia de la industria

pesquera

Significante avance en el comercio a

alta escala

Excelentes conexiones ferroviarias y

por carretera

↑ Almacenamiento: Expansión de la

South Terminal

✘ Barrera de huracanes

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Secuencia de instalación MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

MP, PT

Fabricación Traslado Directo Instalación

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Secuencia de instalación MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

AEROGENERADORES

Fabricación New Bedford Instalación

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Embarcaciones MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones “All goods transported by water between U.S. ports be

carried in U.S.-flag ships, constructed in the United

States, owned by U.S. citizens, and crewed by U.S.

citizens and U.S. permanent residents”

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5.2 Elección de la turbina

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Elección de la turbina MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Vestas V90 – 3MW Siemens SWT – 3.6MW

ROTOR

Diámetro 90 m 107 m

Área de barrido 6.362 m2 9.000 m2

Intervalo operacional 8.6-18.4 rpm 5-13 rpm

Número de palas 3 3

Regulación de potencia Pitch con velocidad variable Pitch

Freno Freno manual y control de pitch hidráulico

por cilindros independientes

Freno manual y control de pitch hidráulico por

cilindros independientes

TORRE

Altura de buje 80 m 80 m

DATOS OPERACIONALES

Velocidad límite inferior 3.5 m/s 3-5 m/s

Velocidad nominal 15 m/s 13-14 m/s

Velocidad límite superior 25 m/s 25 m/s

GENERADOR

Tipo Doblemente alimentado Asíncrono+convertidor total

Potencia de salida 3 MW 3.6 MW

Datos operacionales 50/60 Hz y 1.000 V Frecuencia variable y 690 V

MULTIPLICADORA Dos etapas planetarias en diseño helicoidal Tres etapas planetarias en diseño helicoidal

PESO

Rotor 41 T 95 T

Nacelle 70 T 125 T

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5.3 Cimentaciones

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Geología

• Suelo compactado de arenas y arcillas de 75 metros de espesor

Batimetría

• Profundidad media de los emplazamientos de 11.5 metros, oscilando entre los 4 y 18 metros

Olas • Hs50 = 4 metros aprox

Mareas • Carrera media de marea de 1 metro

Corrientes • Velocidad media de 0.3 m/s

Salinidad • Valores de 33 g/l de agua

Cimentaciones MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

80%

6% 1%

5% 7% 1%

Parque eólico onshore

Aerogeneradores

Conexión a red

O&M

Cimentaciones

Instalación

Desmantelamiento

57%

10%

5%

16%

8% 4%

Parque eólico offshore

Aerogeneradores

Conexión a red

O&M

Cimentaciones

Instalación

Desmantelamiento

Monopilote 5 – 30 m de profundidad

Cimentación de gravedad 0 – 10 m de profundidad

Jacket A partir de 30 m de profundidad

Tripodes A partir de 30 m de profundidad

Cimentaciones flotantes A partir de 60 m de profundidad

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5.4 Layout

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Layout MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Potencia instalada (MW) – 223.2 8 Diámetros 10 Diámetros

Pérdidas Eléctricas – 8,42%

Disponibilidad – 97%

K (Factor de decaimiento) 0.05 0.075 0.05 0.075

Pérdidas estelas % 10.27 7.8 8.82 6.7

Producción neta (GWh) 914,689 939,854 929,513 951,072

Horas equivalentes (h) 4.098 4.211 4.164 4.261

Producción final (GWh) 813,873 836,264 825,711 844,862

Horas equivalentes finales (h) 3.646 3.747 3.699 3.785

Factor de Capacidad (%) 41,63 42,77 42,23 43,21

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5.5 Sistema Eléctrico

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Sistemas de evacuación de energía: sistema múltiple de

transmisión de media tensión en corriente alterna con

tensión de trabajo de 115 kV

Sistema eléctrico MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Cable Submarino

Red General de

Distribución

Compensación

Reactiva

Compensación

Reactiva

Subestación

Offshore

Cluster 1

Compensación

Reactiva

Subestación

Offshore

Cluster 2

Cable Submarino

Subestación en

Tierra

OLTC

Zcc

SVC/STATCOM

Interconexión

AG

Potencia nominal del parque

Potencia aparente

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Dos transformadores de 125 MVA: 33kV 115kV

Sistema eléctrico MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Nº de aerogeneradores interconectados por

circuito ≤ 9

Pmax = 9 ·3,6 MW = 32,4 MW

Dos subestaciones offshore en el parque eólico:

Celdas de interconexión de media tensión (MT) hasta 630 A:

Limitación

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Línea Nº de aerogeneradores Potencia Nominal Potencia Aparente (cos(φ)=0,9)

Línea 1 7 25,2 MW 28 MVA








Total 62 223,2 MW 248 MVA

MT ΔU (V) ΔP (W) %ΔU %ΔP

Línea 1 446,93 1.354.353,23 1,35% 5,37%

Línea 2 486,81 1.710.959,52 1,48% 5,94%

Línea 3 456,71 1.679.266,29 1,38% 5,83%

Línea 4 426,61 1.647.573,07 1,29% 5,72%

Línea 5 426,61 1.647.573,07 1,29% 5,72%

Línea 6 456,71 1.679.266,29 1,38% 5,83%

Línea 7 486,81 1.710.959,52 1,48% 5,94%

Línea 8 446,93 1.354.353,23 1,35% 5,37%

ΔP Total 12.784.304,22 %ΔP Total 5,73%

Tipología de la red: Radial

Cable submarino tripolar de polietileno reticulado (XLPE)

Líneas:

Distribución

Secciones 150 y 400 mm2

Tipo de celda

Esquema unifilar

Pérdidas

Caidas de tensión

Sistema eléctrico MT MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

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Sistema eléctrico AT MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones AT ΔU (V) ΔP (W) %ΔU %ΔP

SET 1 820,63 3.004.078,90 0,71% 2,69%

SET 2 820,63 3.004.078,90 0,71% 2,69%

ΔP Total 6.008.157,79 %ΔP Total 2,69%

Punto de conexión: subestación próxima a New Bedford de

115kV, propiedad de NStar

Líneas:

Distribución

Secciones 800 y 1200 mm2

Esquema unifilar

Pérdidas

Caidas de tensión

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6. Regulación y

jurisdicción

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Hitos en las políticas de desarrollo MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Energy Policy Act 2005

• Incentivos Fiscales

• Seguridad Financiera

• Producción, transportación y transmisión por fuentes de energías renovables

Oceans Act 2008

• Plan de Gestión del Océano para las energías renovables, especialmente en la eólica marina

Department of Interior 2009

• Establece procesos para concesión de los emplazamientos marinos

• Proceso para el desarrollo de la eólica marina

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Etapas de desarrollo del PEM MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Solicitud de Permisos de Desarrollo

Concesión y Realización de

Estudios y Campañas

Obtención de Permisos

Definitivos (COP) y

Contratación

Construcción

O&M Desmantelamiento

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Regulaciones en el emplazamiento MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Abandoned Shipwreck Act

Clean Water Act

Coastal Zone Management Act

Endangered Species Act

Energy Policy Act

Marine Debris Research, Prevention and Reduction Act

Marine Mammal Protection Act

Marine Plastic Pollution Research and Control Act

National Environmental Policy Act

Submerged Lands Act

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7. Análisis de

viabilidad

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Principales Parámetros MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

CAPEX

OPEX

HORAS

INGRESOS

RENTABILIDAD

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Contrato de Compra-Venta de Energía

“Power Purchase Agreement” MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

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Datos del Proyecto MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Emplazamiento Gosnold Wind Energy Area

Tamano del Parque 223,2 MW

Fecha de Construccion 2013

Fecha de comienzo de operacion 2014

Vida Util 25 años

Ratio CAPEX 4,53 ($MM/MW)

Costes de Explotacion (OPEX ) $50/MW instalado

Actualizacion de tarifa OPEX 3,5% annual

Horas de funcionamiento 3.699 horas

Ingresos por explotacion $172,6 ó $187/MWh*

Actualizacion de la tarifa 3,5%

Alquiler del terreno $3/acre/año

Desmantelamiento 3% de la inversion

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Costes de Inversión (CAPEX) MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Partidas Coste

Cimentaciones $107.200.000

Instalación Cimentaciones $84.800.000

Aerogeneradores $474.300.000

Instalación Aerogeneradores $71.300.000

Cables offshore & onshore (incluye instalación) $146.080.460

Subestacion (Top Side x 2; incluye Instalación) $24.500.000

Gestión (PM) & Ingeniería & Calidad $25.345.000

Estudios/Campañas Previas $12,225,000

Logistica y Operacion Portuaria $45.000.000

Centro O&M y medios asociados $7.450.000

Seguros y Certificación $12.500.000

Total $1.010.700.460

Ratio ($MM/MW) 4.53

18%

52%

2%

14%

3% 10%

Cimentaciones

Aerogeneradores

Subestación

Cableado

Desmantelamiento

Gestión, logística y seguros

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Datos Financieros MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Coste de la deuda 5% - 7,50%

Coste del equity 18%

Endeudamiento 70%

Fondos propios 30%

Deduccion fiscal 35%

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“Power Purchase Agreement” MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

ITC+PTC (5%) • $172,6/MWh

ITC+PTC (7,5%) • $187/MWh

PTC: Production Tax Credit

ITC: Investment Tax Credit

Primera fase: PPA-1(año 1 al 15)

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MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Segundo término: PPA-2 (año 16 a 25)…

New England 2030 Power System Study

Penetración en red de 4.000 MW de EM

Precio del mercado (actual): $46,38/MWh

Precio del mercado (2030): $75,44/MWh


“Power Purchase Agreement”

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MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

PTC: Production Tax Credit

ITC: Investment Tax Credit


“Power Purchase Agreement”

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

$/M

Wh

Años

Escenarios

ITC+PTC (5%)

ITC+PTC (7,5%)

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Resultados MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Ratios Económicos

• WACC

• VAN

• TIR

• PAYBACK

Escenario A (5%)

• 8,81%

• $268.713.542

• 15,2%

• 7 años

Escenario B (7,5%)

• 8,81%

• $361.528.024

• 16,6%

• 6 años

TIR > WACC Proyecto RENTABLE

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8. Conclusiones

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Conclusiones MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

Emplazamiento

• Condiciones favorables

• Abundante recurso eólico

• Poca profundidad (< 30 metros)

• Oceanografía favorables

Tema Medioambiental

• Buena aceptación social

• Sin impactos importantes

Sistema retributivo y Legislativo

• Diferente a Europa

• PPAs

Industria eólica marina en los EEUU

• Falta de experiencia

• Establecer sinergias entre la industria eólica europea y la industria del “Oil&Gas” americana.

• Oportunidad de generar una nueva industria

• Creación de empleo

• Oportunidad de reducción de costes

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Apariencia MERME

Objeto del proyecto




restricciones




Conclusiones

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Education

Estudio de la Viabilidad Técnico- Económica de un Parque Eólico Marino en la Costa de Massachusetts