Experimental study of the interaction of natural and man-made exploitation systems with the environment in the atmospheric surface boundary layer: application to olive fields and wind farms
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Jiménez Portaz, MaríaEditorial
Universidad de Granada
Director
Clavero Gilabert, MaríaDepartamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Dinámica de Flujos Biogeoquímicos y sus AplicacionesMateria
Experimental study Natural exploitation systems Man-made exploitation systems Atmospheric surface boundary layer Estudio experimental Sistemas de explotación naturales Sistemas de explotación artificiales Capa límite de la superficie atmosférica
Fecha
2021Fecha lectura
2021-07-09Referencia bibliográfica
Jiménez Portaz, María. Experimental study of the interaction of natural and man-made exploitation systems with the environment in the atmospheric surface boundary layer: application to olive fields and wind farms. Granada: Universidad de Granada, 2021. [http://hdl.handle.net/10481/69861]
Patrocinador
Tesis Univ. Granada.; University of Granada (TEP-209 y ODISEA); Vice-rectorate for research and knowledge transfer from the University of GranadaResumen
When we refer to exploitation systems, we talk about obtaining resources
through natural or man-made management systems. Resources exploitation in
Mediterranean countries covers energy extraction to agricultural or forestry production.
In some cases, inadequate management methods promote environmental
degradation, aggravated by climate, desertification, and climate change, among
others.
Global change represents an inflection point in the management of ecosystems
and the way we obtain energy. For this reason, two representative Mediterranean
systems (one natural and one other artificial) have been selected in this work to be
studied in an integrated way: i) olive groves and ii) onshore wind farms. A new
management model requires a global understanding of the system, analyzing its
elements, how they interact, and modify the surrounding environment. This model
must include, in turn, how dynamic phenomena are affected through exchanges
and processes on the Earth’s surface, in particular the surface boundary layer of
the atmosphere. These processes become more critical in high ecological value
and high environmental sensitivity areas, as the Southern Mediterranean areas, and
specifically, the region of Andalusia.
One of the best methods to study these systems is through experimental wind
tunnel tests due to their large scale and spatio–temporal variability. For this reason,
in Chapter 2, a study of the quality, homogeneity, and turbulent characteristics of the
flow in the IISTA boundary layer wind tunnel has been carried out to guarantee and
optimize its correct operation. A behavioral overview of the flow inside the tunnel
has been obtained, and at the same time, it has been compared with a closed-circuit
climatic wind tunnel with similar characteristics. With all the information obtained,
it is enough to carry out environmental studies and improve the facility that is
necessary for this purpose.
Secondly, the Andalusian olive grove is selected as representative of natural
exploitation due to its historical importance, an emblematic ecosystem of the
Mediterranean countries, and its importance at economic, health, and environmental
levels. Sustainable ecosystem management is one of the most significant challenges
for managers. Climate change, together with the increase in allergies associated
with olive pollen and the ecosystem’s long-term improvement and preservation, has
generated a social problem that needs to be analyzed in-depth to obtain a satisfactory
solution covering all areas: environmental, social, and economic. As a first approach
to the problem, in Chapter 3 three olive grove configurations representative of
Andalusia have been studied, based on experimental tests, analyzing their influence on the atmosphere dynamics. Moreover, the relationship between exploitation and
plantation characteristics has been obtained, such as the tree height and its spatial
distribution, with fundamental aerodynamic variables, such as the aerodynamic
diameter and the Reynolds number.
As an artificial production system, wind farms have been selected because of
their relevance and their fast and unstoppable expansion worldwide, where they
play a leading role in sustainability and climate change actions. Despite being clean
energy, it can generate alterations associated with the wind fields, directly affecting
the energy potential to be extracted by the wind turbines around it. Based on this
behavior, it has been proven the importance of properly selecting the location of
a wind farm due to the direct influence of topography, vegetation cover, and the
position of other turbines previously installed. The different spatial configurations
studied in Chapter 4 show the amplitude of the turbulent wake generated behind
the wind turbine, both in height and flow direction, and its impact on the surface
atmospheric boundary layer.
On the other hand, the new exchange system after installing the wind turbine,
directly and indirectly, affects environmental components related to the atmosphere
dynamics. Therefore, there is a wide range of environmental impacts related to wind
energy associated with each other and must be studied comprehensively. However,
current methodologies applied to the study of environmental impacts are lacking
in specificity and adaptability to the particularities of this type of energy system.
For this reason, based on scientific knowledge, guidelines and recommendations
for the study of the environmental impact of wind farms in Andalusia are presented
in Chapter 5. Furthermore, the methodology proposed is based on the experimental
studies described in Chapter 4 and an exhaustive literature review, resulting in an
example of how to apply part of this methodology.
In a nutshell, this work analyzes, from experimental tests, the relationship
between the atmospheric boundary layer and two relevant exploitation systems
in the Southern Mediterranean. It concludes in Chapter 6 that the study of this
interaction is significant to understand the system behavior as a whole, foreseeing
possible environmental alterations, optimizing their exploitation from a sustainable,
social, and sanitary point of view, and at the same time, optimizing their profitability. Cuando hablamos de sistemas de explotación, nos referimos a aquellos sistemas
naturales o artificiales de los cuales obtenemos recursos, limitados o ilimitados,
a través de la gestión y aprovechamiento de cada uno de ellos. La explotación
de recursos en los países mediterráneos abarca desde la obtención de energía,
hasta los aprovechamientos agrícolas o forestales. Sin embargo, los inadecuados
métodos de gestión fomentan la degradación del entorno, agravados por el clima, la
desertificación, y el cambio climático, entre otros.
El cambio global supone un punto de inflexión a la hora de gestionar los
ecosistemas, así como la forma en la que obtenemos energía. Por ello, en este
trabajo se han seleccionado dos sistemas representativos del Mediterráneo (uno
natural y otro artificial), para ser estudiados de forma integral: i) el olivar, y ii) los
parques eólicos terrestres. Un nuevo modelo de gestión requiere entender el sistema
de forma global e integrada, analizando los elementos que lo componen, cómo
interactúan y cómo modifican el medio, que ha de incluir, a su vez, las afecciones
sobre los fenómenos dinámicos en la superficie terrestre, especialmente en la capa
límite superficial de la atmósfera. Esto cobra mayor importancia en áreas de alto
valor ecológico y altamente sensibles, como es el caso del sur del Mediterráneo, y
más concretamente, la región de Andalucía.
Una de las mejores formas de estudiar estos sistemas, debido a su la escala de
trabajo y la variabilidad espacio temporal, es a través de ensayos experimentales
en túnel de viento. Por este motivo, en el Capítulo 2 se ha realizado un estudio
de la calidad, homogeneidad y características turbulentas del flujo en el túnel
de viento de capa límite del IISTA, con el objetivo de garantizar y optimizar su
correcto funcionamiento. De este modo, se ha conseguido una visión global del
comportamiento del flujo en su interior, y a su vez se ha comparado con un túnel
de viento climático de circuito cerrado de similares características. Con toda la
información obtenida, tenemos información suficiente para llevar a cabo estudios
de carácter ambiental y realizar las adaptaciones y mejoras que sean necesarias para
ello.
En segundo lugar, se selecciona el olivar andaluz como explotación natural, por
su importancia a nivel histórico, al ser un ecosistema emblemático de los países
mediterráneos, pero también a nivel económico, sanitario y medioambiental. La
gestión de ecosistemas de forma sostenible es uno de los mayores retos a los que
se enfrentan los gestores. El cambio climático, unido al aumento de las alergias
asociadas al polen del olivo y la necesidad de mejorar y conservar los ecosistemas a
largo plazo, ha generado un problema a nivel social, económico y ambiental. Esta problemática ha de ser analizada en profundidad, a fin de obtener una solución
intermedia y satisfactoria en todos los ámbitos: ambientales, sociales y económicos.
Como una primera aproximación al problema, en el Capítulo 3 se han estudiado, a
través de ensayos experimentales, tres configuraciones de olivar representativas de
Andalucía, analizando su influencia sobre la dinámica de la atmósfera. Además,
se ha obteniendo la relación entre el tipo aprovechamiento y las características
de la plantación, como la altura del árbol y su disposición espacial, con variables
aerodinámicas fundamentales, como el diámetro aerodinámico y el número de
Reynolds.
Como sistema de producción artificial se han seleccionado las explotaciones de
energía eólica, por su relevancia, pero también por su rápida e imparable expansión
a nivel mundial, donde juegan un papel fundamental en la sostenibilidad y las
medidas contra el cambio climático. A pesar de ser una energía limpia, puede
generar alteraciones asociadas al campo de vientos, traducidas en la generación
de una estela turbulenta tras cada aerogenerador, que afectará de forma directa al
potencial energético a extraer por parte de las turbinas cercanas. Con base en este
comportamiento, se ha comprobado la importancia de seleccionar adecuadamente
el emplazamiento de un parque eólico, por la influencia directa de la topografía, la
cobertura vegetal y la posición espacial de otras turbinas instaladas previamente.
Las diferentes configuraciones espaciales estudiadas en el Capítulo 4 muestran el
alcance de dicha estela turbulenta, tanto en altura como en la dirección del flujo, y
su impacto sobre la estructura de la capa límite de la atmósfera.
El nuevo sistema de intercambios tras la instalación del aerogenerador, afecta directa
e indirectamente a las componentes ambientales relacionadas con la dinámica
de la atmósfera. Existen entorno a la energía eólica una serie de impactos ambientales
que pueden relacionarse entre sí y que deben ser estudiados desde un punto
de vista integral e integrado. Sin embargo, las actuales metodologías aplicadas
al estudio del impacto ambiental carecen de especificidad y adaptabilidad a las
particularidades de este tipo de sistemas. Por este motivo, en el Capítulo 5 se
presentan unas directrices y recomendaciones para el estudio del impacto ambiental
de parques eólicos en Andalucía. La metodología propuesta está fundamentada en
los estudios experimentales recogidos en el Capítulo 4 y una revisión bibliográfica
completa, culminando en un ejemplo de aplicación con base en el conocimiento
científico.
En definitiva, este trabajo analiza de forma experimental, la relación entre la
capa límite de la atmósfera y dos de los sistemas de explotación más relevantes en
el sur del Mediterráneo. Se concluye en el Capítulo 6 la relevancia del estudio la
interacción descrita anteriormente, con el objetivo de comprender el funcionamiento
de estos sistemas, prever posibles alteraciones ambientales, optimizar su explotación
desde un punto de vista sostenible, y a su vez, optimizar su rentabilidad.