La Energía eólica

Frente a la amenaza creciente del cambio climático, el mayor desafío al que se enfrenta la humanidad en la actualidad, es la imperiosa necesidad de una transformación del sistema energético global, adoptando y desarrollando todas las tecnologías bajas en carbono que tengamos a disposición. Dentro de éstas la energía eólica se nos presenta como una de las grandes soluciones y, dado el éxito obtenido hasta la fecha, es hora de pisar el acelerador. Nuestro porvenir depende de ello.

Vamos a introducirnos en las bases científicas que sustentan esta tecnología, el estado de desarrollo, la situación en nuestro país y el futuro que aguarda.

HISTORIA

El aprovechamiento de la energía eólica se puede rastrear hacia los primeros veleros y barcos de vela que surcaban las aguas hace cerca de 5.500 años. Del mismo modo su uso como ventilación natural en los edificios data desde tiempos igualmente antiguos. Sin embargo, el uso del viento para obtener energía mecánica aparece bastante más tarde en la historia humana.

 Hacia mediados del siglo I, en el Egipto romano, Herón de Alejandria inventó una rueda impulsada por el viento para accionar un hydraulis u órgano de agua, un antiguo instrumento musical de viento y el primero en utilizar un teclado. Este dispositivo, no fue utilizado a gran escala, sino más bien como una mera curiosidad o pasatiempo. No fue hasta el siglo IX de nuestra era cuando, en lo que ahora es territorio de Irán, Afganistán y Pakistán, se desarrollaron las primeras máquinas eólicas utilizadas con fines prácticos, como moler granos y bombear agua. Eventualmente su uso se extendió a China e India, para finalmente ingresar en Europa ya bien entrado el siglo XI.

 Para encontrar el primer aprovechamiento de la energía eólica como fuente de energía eléctrica debemos adentrarnos en los momentos culmines de la revolución industrial, durante el invierno de 1887, y en su corazón geográfico, Escocia. Fue entonces cuando el profesor universitario James Blyth colocó un generador eléctrico en un molino de viento vertical para producir electricidad para su cabaña. Ese fue el nacimiento de la turbina eólica, un nuevo dispositivo que surgía de combinar dos tecnologías de eras distintas, el milenario molino de viento y el, por entonces novedoso, generador eléctrico del siglo XIX.

Este fue el comienzo de un viaje que, al cabo de un siglo, conduciría al desarrollo de la moderna turbina eólica de eje horizontal de dos o tres aspas. La crisis energética de 1973 consolidó la necesidad de una alternativa al monopolio de los combustibles fósiles. Por otro lado, las nuevas tecnologías constructivas introducidas hacia mediados de la década del 80 permitieron optimizar el diseño de los aerogeneradores con la consiguiente disminución de costos.

 Ahora la energía eólica podría integrarse con éxito en las redes eléctricas en todo el mundo, alcanzando la confiabilidad necesaria para competir comercialmente con la generación de energía convencional. Los proyectos eólicos despegaron, impulsados ​​principalmente por iniciativas gubernamentales e industriales. Hasta ese momento, los aerogeneradores eran de pequeña capacidad, entre 30 y 55 kW de potencia (la unidad kW, kilowatt o kilovatio representa mil vatios o watts), y se usaban para cargar batería en lugares remotos y en pequeñas redes de servicios públicos aisladas. Las primeras turbinas eólicas de 1 MW (MW significa megavatio y es un millón de vatios) para su uso comercial estuvieron disponibles en 1998 y, desde entonces, la capacidad de generación de potencia de los aerogeneradores se ha duplicado aproximadamente cada 4 años.

 Durante los últimos 20 años la energía eólica creció de manera astronómica, superando inclusive, las expectativas de los más optimistas. Los esfuerzos de investigación y desarrollo, tanto públicos como privados, impulsaron esta tecnología. Hoy en día los grandes aerogeneradores comerciales utilizados en las modernas centrales eólicas tienen alturas al eje de la hélice que van desde 70 m hasta 126 m, rotores con diámetros de entre 70 m y 150 m y cuentan con una potencia nominal entre 2 MW y 9 MW, con prototipos que prometen entregar 12 MW de potencia. 

Desde una base instalada global de 24,3 GW en 2001, a principios de 2021, las plantas y usinas eólicas, distribuidas en más de 90 países, aportan en conjunto una capacidad mundial de 753 GW (GW es gigavatio, mil millones de vatios), que aumenta a razón de 50 GW por año, para suplir las siempre crecientes necesidades de la especie humana.

FUNCIONAMIENTO DE UN GENERADOR EÓLICO

 El fin último de toda turbina es transformar la energía proveniente de alguna fuente, como puede ser el viento o el movimiento del agua, en energía mecánica, que pasa a estar disponible a través del movimiento rotativo de un eje. Esta rotación se aprovecha acoplando mediante algún mecanismo a un generador eléctrico, del cual se obtiene finalmente, la energía eléctrica. Este es el principio básico de funcionamiento de un generador eléctrico.

 Los aerogeneradores logran obtener energía de rotación mediante el conjunto de palas llamado rotor o hélice. Cada pala dispone de un perfil aerodinámico sobre el cual el movimiento relativo del aire introduce una diferencia de presiones que se traduce en una fuerza resultante que origina la rotación del conjunto rotor.

Esquema del funcionamiento de un generador eléctrico básico. De acuerdo a la Ley de Faraday si una cupla externa imprime rotación a una espira de material conductor, inmersa en un campo magnético, sobre ella se inducirá la circulación de una corriente eléctrica, y por ende, de un potencial eléctrico.

Mientras más energía se extrae del viento incidente V1 (que será aprovechada para obtener energía eléctrica), mayor será la reducción en la velocidad del viento y menos velocidad tendrá el aire remanente (V2).

Pero, ¿cuánta energía puede extraerse del viento? La ley de Betz, formulada por primera vez por el físico alemán Albert Betz en 1919, establece que la potencia extraíble de un fluido en movimiento aumenta de forma cúbica con la velocidad del viento incidente (V1) y de forma cuadrática con la longitud de las palas. Sin embargo, existe un máximo teórico de energía que se puede extraer y que corresponde al 59% de la energía cinética disponible en el viento incidente. Este límite está dado por la cantidad de masa de aire que puede estancarse detrás del aerogenerador. La potencia máxima se ve entonces acotada a un valor específico que ocurre exclusivamente cuando se obtiene una velocidad del viento remanente (V2) igual a 1/3 de la velocidad inicial del viento. Las grandes turbinas eólicas modernas llegan a obtener valores máximos en torno al 45% o 50% de la energía cinética disponible en el aire incidente.

Para aumentar la potencia instalada, un factor determinante en el diseño de aerogeneradores es la altura del rotor respecto al suelo. Por un lado, a gran altitud el flujo de aire es menos turbulento, más estable y de mayor intensidad. Por otro lado, al disponer de más espacio se pueden utilizar rotores de mayor diámetro aumentando la superficie del flujo de aire incidente, o dicho de otro modo, el área o sección transversal de viento que se aprovecha.

Ciertamente no cualquier velocidad del viento es aprovechable, ya que las palas están diseñadas de manera aerodinámica óptima para un rango de velocidades específicas. Este rango, generalmente entre 5 y 20 m/s (metros por segundo) se elige en función de la distribución de frecuencia de velocidad del viento en la zona de instalación, que representa el número de horas anuales a la que un intervalo de velocidades es más recurrente, y es lo que finalmente determinará la disponibilidad de energía. Es por esto que nunca se llega a producir electricidad durante todas las horas del año (un total de 8760) ni se está generando energía continuamente a la potencia nominal de diseño. El promedio global de este factor ronda el 35%, siendo en Argentina del 43,3%, con usinas eólicas ubicadas en la provincia de Chubut que llegan a ofrecer un 60% de la disponibilidad energética máxima.

Otro indicador importante es el Factor de Carga, que mide la productividad y eventual factibilidad del parque eólico, y que se define como la relación o cociente entre lo que genera el parque en un intervalo de tiempo y lo que podría generar si entregase la potencia nominal, es decir, si tuviera viento óptimo continuo durante el mismo período de tiempo.

 

TIPOS DE AEROGENERADORES

 Podemos agrupar los aerogeneradores en tres configuraciones diferentes, según la disposición del eje del rotor.

• Aerogeneradores de Eje Horizontal

 También llamadas HAWT, por sus siglas en inglés de Horizontal Axis Wind Turbine (Turbinas de Viento de Eje Horizontal), o del tipo danés, por ser este país el primer lugar donde se extendió y consolidó su desarrollo. Es el tipo más extendido alrededor del mundo y el estándar utilizado desde el comienzo de la industria eólica, empleado principalmente en grandes plantas o usinas eólicas.

 El diseño aerodinámico de sus palas es complicado porque la velocidad del aire local es diferente a lo largo de la longitud de la pala (siendo mayor en la puntera). Es por esto que las palas deben torcerse, alrededor de su eje longitudinal, y estrecharse para mantener un ángulo de ataque eficiente en toda su envergadura.

 Por otro lado, al ser unidireccionales deben disponer de una multiplicidad de mecanismos móviles que le permitan orientarse siempre enfrentando el viento, que puede cambiar de dirección.

Montaje de los componentes más usuales en un aerogenerador de eje horizontal o HAWT.

 Dado que la potencia obtenida no depende del número de palas, la cantidad de éstas obedece a una solución de compromiso entre costos de construcción y mantenimiento (que aumentan con el número de palas) y el balance, rigidez y desempeño estructural (que mejora con el número de palas).

• Aerogeneradores de Eje Vertical

 También llamadas VAWT, por sus siglas en inglés de Vertical Axis Wind Turbine (Turbinas de Viento de Eje Vertical). Los primeros molinos fueron de este tipo donde el eje de transmisión está dispuesto de forma perpendicular al suelo.

 Dentro de las ventajas de este tipo de turbina podemos enumerar:

 Muchos de los componentes complicados, como pueden ser el generador y la caja de engranajes reductora, se pueden ubicar al nivel del suelo. Esto facilita y economiza su operación y mantenimiento.

 Su diseño aerodinámico puede ser mucho más simple ya que la velocidad local del aire sobre el perfil a lo largo de la pala no varía por efecto de la rotación. Esto las hace mucho más silenciosas que las turbinas de eje horizontal, siendo óptimas para su uso en zonas urbanas.

 Son omnidireccionales, es decir, siempre rotará sin importar la dirección en la que sople el viento. Por tanto, no se requieren motores ni complejos mecanismos para enfrentar el rotor al viento o inclinar las palas.

 Otro mérito destacable es que comienza a funcionar a velocidades de viento más bajas que los generadores de eje horizontal, entregando una elevada culpa o par de trabajo durante el arranque, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de baja potencia y a baja velocidad de rotación. Esto le permite operar con viento turbulento, de baja intensidad o en ráfagas, como el presente en costas y paisajes urbanos, pudiéndose instalar en parques eólicos, por debajo de las grandes turbinas de eje horizontal existentes, complementando la producción de energía. Además, se pueden agrupar más juntos que los HAWT y acoplarse unos encima de otros.

 Sin embargo, presentan una serie de desventajas difíciles de superar:

 Tienden a ser menos confiables y eficientes que las turbinas horizontales. Esto los hace menos adecuados para la producción de energía a gran escala, siendo su uso exclusivo a aplicaciones de baja potencia, por lo que la inversión en el desarrollo de VAWT de gran capacidad es muy marginal.

 Por otro lado, las palas de un VAWT son propensas a la fatiga debido a la amplia variación en las fuerzas aplicadas durante cada rotación, originadas por la rápida variación del ángulo de ataque.

 Según el principio de funcionamiento, los VAWT se clasifican en:

• De arrastre o Savonius

 Diseñada por el ingeniero finlandés Sigurd Savonius en 1924, esta máquina es, con mucho, el más simple de estos diversos mecanismos. Su rotor consta de 2 o más palas en forma de medio cilindro (o cuchara) que se abren en diferentes direcciones agrupadas alrededor de un eje central y confinadas entre dos tapas superior e inferior. Vistas desde arriba estas palas se superponen en el centro permitiendo que parte del aire que impacta en la superficie cóncava fluya hacia la paleta opuesta. Debido a la curvatura, las paletas experimentan menos resistencia cuando se mueven en retroceso contra el viento (superficie convexa) que cuando se mueven en avance con el viento (superficie cóncava). Esta diferencia en la fuerza de arrastre obliga al rotor a girar.

 Sin embargo, cada pala obtiene exceso de energía aprovechable sólo en el 35% del giro, durante la llamada carrera de potencia y que ocurre durante el retroceso. El resto de energía se emplea en superar la fuerza de resistencia. Esto hace que la eficiencia máxima de este tipo de turbina sea bastante baja, alrededor del 14%.

• De sustentación o Darrieus

 Patentada por el ingeniero francés Georges Jean Marie Darrieus en 1926, esta turbina consta de varios álabes o palas de sección aerodinámica montados simétricamente en un eje o armazón vertical giratorio.

El flujo de aire incidente respecto al perfil es la suma entre el viento incidente y el correspondiente a su propia velocidad de rotación, de modo que el flujo de aire resultante crea un pequeño ángulo de ataque positivo. Esto genera una fuerza de sustentación que apunta oblicuamente hacia adelante y que se puede proyectar hacia el interior de la turbina, confiriendo una cupla o par de potencia que otorga rotación del eje.

Un problema con el diseño es que el ángulo de ataque varía a medida que gira la turbina, siendo máximo cuando el perfil se ubica de manera perpendicular al viento incidente y mínimo cuando lo hace de manera paralela. Esto conduce a que la carrera de potencia de cada pala corresponda a un 50% del giro, cuando el perfil se ubica de manera perpendicular al viento incidente. Esto hace que la eficiencia máxima sea baja pero mayor que la turbina Savenius, cercana al 32%.

Otro inconveniente es la dificultad para reducir la elevada carga estructural originada por la aceleración centrífuga del mecanismo. La masa, alejada del eje de rotación, introduce considerables fuerzas inerciales en dirección tangencial (que tira de la pala) y radial (que actúa contra los cojinetes del eje vertical) que aumentan la posibilidad de fallas estructurales.

 Varias mejoras se han propuesto como introducir torsión en las palas que confieran un ángulo de ataque variable (rotor Gorlov) o usando perfiles no simétricos. Otro enfoque es curvar las alas en la característica forma de “batidor de huevos” (esta curva se denomina troposkein, del griego “cuerda hilada”) de modo que sean autoportantes y no requieren ejes, soportes y montajes tan pesados.

• Aerogeneradores No Convencionales

 Los aerogeneradores no convencionales son aquellos que utilizan formas innovadoras de aprovechar la energía disponible en una corriente de aire. El más prometedor e interesante es un reciente proyecto de origen español llamado Vortex Bladeless o aerogenerador sin palas. Su principio de funcionamiento es el siguiente:

Cuando un fluido pasa alrededor de cuerpos sólidos romos (sin bordes filosos o vértices agudos), a ciertas velocidades, aguas abajo se genera un patrón repetitivo de remolinos o torbellinos conocidos como calles de von Kármán. Lleva el nombre del físico húngaro Theodore von Kármán quien lo registró por primera vez luego de percatarse del sonido que producían los cables suspendidos de líneas telefónicas y eléctricas o la vibración de la antena de un automóvil. Este fenómeno se denomina “desprendimiento de vórtices” y se debe a que el flujo se separa de la superficie sólida de manera inestable.

Este patrón induce zonas de sobre-presiones en el perfil que pueden ser aprovechadas gracias a la aeroelasticidad (el fenómeno de interacción entre las fuerzas inerciales, elásticas y aerodinámicas) para inducir movimiento a algún mecanismo que nos provea energía, tal como ocurre con la turbina en los aerogeneradores convencionales.

El efecto aeroelástico difícilmente es aprovechable. Por el contrario, resulta ser un inconveniente a tener en cuenta a la hora de diseñar estructuras que estén sometidas a la acción del viento. Esto se debe a que la interacción entre las fuerzas aerodinámicas y estructurales pueden acoplarse y entrar en resonancia, retroalimentando energía entre sus modos de vibración y pudiendo llevar la estructura a un colapso catastrófico.

ENERGÍA EÓLICA EN ARGENTINA

Nuestro país presenta una situación claramente excepcional respecto a otras regiones del globo por disponer superficies con viento de alta velocidad de forma casi ininterrumpida, tanto en tierra emergida como sobre la extensa plataforma marítima, que permite operar e instalar sistemas de amarramiento para aerogeneradores flotantes.

 

Desde los 227 MW disponibles a principios de 2018 hasta los 3.169 MW a mediados de 2021, se ha visto un sostenido y prometedor aumento en la instalación y generación de energía eólica en Argentina. Sin embargo, este crecimiento se engloba dentro de la tendencia mundial, pero en nuestra matriz energética sigue siendo mayoría, y aumentando, la componente de combustible fósil (petróleo y gas). El paso a seguir es impulsar nuevas instalaciones eólicas, preferentemente de fabricación nacional, a la vez de ir complementando con aprovechamiento de energías bajas en carbono como la solar, para ir reemplazando paulatinamente a todas las centrales de combustible fósil. Se podrá demorar su consolidación como fuentes únicas de energía, pero el paso al aprovechamiento de las energías renovables ya no tiene retorno, y más importante, es imprescindible para el futuro desarrollo de la humanidad.

Fuentes

CAMMESA Informe Síntesis Mensual, https://cammesaweb.cammesa.com/informe-sintesis-mensual/

The Wind Power Story (A Century of Innovation that Reshaped the Global Energy Landscape), Brandon N. Owens, Wiley IEE Press, 2019

Wind & Solar Power Systems (Design, Analysis & Operation), Mukund R. Patel and Omid Beik, CRC Press, 3th Edition, 2021.

Vortices de Von Karman https://youtu.be/jbDWR2_Y3wE 

Colapso del puente de Tacoma Narrows https://youtu.be/lXyG68_caV4