El éxito del viento

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74-73LM Windpower
El enorme aerogenerador Haliade 150 (a la derecha) tiene 6 megavatios de potencia y mide 150 metros de diámetro. Este tipo de aerogeneradores están orientados exclusivamente al uso marino, en el que se pueden instalar estructuras de grandes dimensiones sin limitaciones logísticas significativas.

En los últimos treinta años, la energía eólica ha sido protagonista de un gran esfuerzo científico, aunque los primeros aerogeneradores modernos los podemos encontrar en la década de los cuarenta del siglo xx. Este artículo ofrece una breve descripción del origen y la evolución experimentada en tecnología de energía eólica en los aspectos de diseño de la turbina, evaluación de recursos, integración en red y el medio ambiente, además de aventurar el futuro de la I+D en este ámbito.

  

La generación eólica hace tiempo que ha dejado de ser una anécdota. Lejos de eso, aporta porcentajes considerables del mix eléctrico en muchos países. Es la más rentable y eficiente de las formas de captación renovable. Los inconvenientes visuales o ambientales que pueda presentar son menores comparados con la producción eléctrica independiente y libre de emisiones que conlleva. De hecho, el aprovechamiento energético del viento cuenta con una larga trayectoria. Sin viento no habría habido navegación a vela, ni molinos elevadores de agua o para moler grano. Sin embargo, los modernos aerogeneradores, aunque descendientes de aquellos ingenios, tecnológicamente son otra cosa.

La contumaz resiliencia del viento

El diseño de un parque eólico es una labor detallada y precisa. Hace cerca de diez años estábamos acostumbrados a ver que, en los emplazamientos mediterráneos, existía una dirección predominante o bien dos direcciones predominantes de viento opuestas. Esta distribución de vientos en dirección nos permitía hacer diseños de parques eólicos muy compactos. 

Un día, mientras tratábamos datos del emplazamiento de un parque eólico en Turquía, la coordinadora del grupo de diseño se mostró sorprendida: «Tenemos dos direcciones predominantes de viento a noventa grados, primero lo tendríamos que verificar… nos complica mucho el trabajo.» Le contesté: «¡No hace falta que lo verifiquéis, sale en La Ilíada!»:

Así los troyanos guardaban el campo. De los aqueos habíase enseñoreado la ingente fuga, compañera del glacial terror, y los más valientes estaban agobiados por insufrible pesar. Como conmueven el ponto, en peces abundante, los vientos Bóreas y Céfiro, soplando de improviso desde la Tracia, y las negruzcas olas se levantan y arrojan a la orilla multitud de algas; de igual modo les palpitaba a los aqueos el corazón en el pecho.

Homero, La Ilíada. Inicio del Canto ix

Estábamos analizando datos de viento cerca de Troya y por casualidad estaba leyendo La Ilíada. Homero, hace tres mil años, mencionaba las direcciones de viento perpendiculares. Es una bella imagen del carácter perdurable de las energías renovables.

  
72-73Foto de la col·lecció Carl Wilcox, en possessió de Paul Gipe (Wind-works.org)
El primer aerogenerador de diseño moderno, el Smith-Putnam, se instaló en 1941 en Vermont (EE UU). Las tareas de instalación tuvieron que superar un gran número de problemas técnicos.
 

 

«El aprovechamiento energético del viento cuenta con una larga trayectoria. Sin viento no habría habido navegación a vela, ni molinos elevadores de agua o para moler grano»

La tecnologia eòlica

La energía eólica ha centrado la actividad investigadora de miles de personas de todo el mundo, y principalmente en Europa, en los últimos treinta años. Esta actividad se ha centrado en diferentes ámbitos, a parte del desarrollo concreto de las máquinas de conversión: la evaluación de recursos, la integración en la red eléctrica, la predicción, la integración en el entorno, etc. Esta evolución tecnológica ha transcurrido en simbiosis con una industria que ha protagonizado la entrada de la primera energía renovable dentro del llamado mix energético. 

Así, la energía eólica representa el 26% de la energía eléctrica consumida en Dinamarca, el 15% de la consumida en España, o el 8% de la consumida en Alemania en 2010 (EWEA, 2011). Si bien Alemania, España y Dinamarca han conseguido una posición predominante, también es cierto que esta tendencia está cambiando. Mientras que en el 2002 estos tres países acumulaban casi el 90% de las instalaciones europeas, en el 2010 tan solo representaban poco más del 35%. A escala mundial, el cambio también era patente en el 2010: la República Popular de China instaló cerca del doble de eólica que Europa. 

La evaluación de recursos eólicos

La potencia que contiene cualquier fluido en movimiento es proporcional al cubo de la velocidad. Este hecho físico hace que el aprovechamiento del viento sea extremadamente sensible a la velocidad y requiere disponer de información del viento con una elevada precisión. Por ejemplo, tener una precisión de un 10% en la producción de una instalación eólica exige una precisión del 3% de la velocidad del viento en el emplazamiento. Esta extrema sensibilidad ha llevado a la evolución de metodologías, con un esfuerzo importante de I+D. 

La forma más precisa de evaluar la velocidad del viento en un emplazamiento es colocar un anemómetro en el punto exacto en el que se desea saber la velocidad, durante un tiempo lo bastante largo para que sea representativo de los efectos meteorológicos locales, generalmente un año. Medidas de un período más largo, en un lugar próximo al que evaluamos, fiables y con un período simultáneo para poder correlacionar los datos que tenemos de un año permiten tener en cuenta los efectos interanuales.

El primer tipo de herramienta que se elaboró para la evaluación de emplazamientos se basaba en el uso de los datos de una campaña de medidas en un punto concreto y mediante un modelo del terreno (meso/micro escalar) y una simulación simplificada del flujo del aire, establecer un supuesto viento geostrófico que, a continuación, mediante el mismo modelo de terreno y simulación de flujo, se transporta a cualquier otro punto próximo del terreno. WAsP, desarrollada por el Risoe de Dinamarca a principios de los años noventa del siglo pasado, es la herramienta pionera en esta metodología (DTU, 2011).

Otra metodología usada en la evaluación del recurso eólico es la dinámica de fluidos computacional (CFD). Es una herramienta más precisa, que requiere, sin embargo, una definición de las condiciones de contorno de la simulación. Estas son difíciles de establecer en el caso de la atmósfera.

Paralelamente se han hecho, con mucho de éxito, varias plataformas de predicción meteorológica a gran escala que proporcionan resultados accesibles por vía informática. Estas series temporales de predicción se convierten en verdaderas fuentes de datos a largo plazo con las que aplicar las metodologías antes mencionadas. Esta metodología representa variaciones temporales de largo plazo y proporciona datos de velocidades máximas más fiables que las procedentes de medidas locales. Varios equipos han desarrollado este tipo de herramientas, las más próximas son las de Vórtice y Meteosim.

  

73-73Evolución de las dimensiones de los aerogeneradores desde 1984 hasta la actualidad. Aumentando las dimensiones (y la potencia) se consigue reducir el número de aerogeneradores de un parque eólico y, por tanto, la superficie total ocupada.

  

La construcción de los aerogeneradores

Si bien el primer aerogenerador conectado a la red eléctrica se instaló en Balaklava en 1931 y funcionó durante diez años, el primero de diseño moderno fue el Smith-Putnam. Se instaló en 1941 en Vermont, con muchos problemas técnicos, y tuvo un tiempo de operación muy corto. En 1957, Johannes Juul, alumno del visionario Paul Lacour, instaló en Gedser, al sur de Dinamarca, un aerogenerador para producir electricidad que fue el precursor de la tecnología danesa; funcionó de manera ininterrumpida durante una década, lo que supuso un récord de tamaño y fiabilidad. 

A pesar de que estos primeros pasos fueron valiosas demostraciones de la viabilidad de la energía eólica y de la capacidad de transformación en electricidad, no fue hasta los años setenta del siglo pasado, como consecuencia de la primera crisis del petróleo, cuando se lanzó una producción industrial en serie de máquinas para transformar viento en energía eléctrica. Desde este hito la energía eólica se ha convertido en un sector industrial, y progresivamente aparece como una fuente de energía más dentro del abanico de soluciones para el proveimiento energético. La evolución de la tecnología, tanto en el diseño del producto como en los procesos de fabricación, ha aumentado la eficiencia de los aerogeneradores hasta el nivel actual.

Los aerogeneradores son máquinas que con el rotor absorben la energía cinética del viento y disponen de un sistema que convierte en electricidad esta energía capturada de la corriente de aire. La eficiencia económica se basa en producir el máximo de energía y reducir, al máximo, la cantidad de materiales necesaria para esta producción. El resultado de mejorar esta relación entre la generación con respecto a los materiales consigue la reducción del coste de la energía generada. 

Si bien la función de los aerogeneradores es la cosecha de la energía presente en el viento, deben cumplir una serie de requisitos técnicos para que sean viables. En primer lugar, tienen que soportar cualquier condición meteorológica durante su vida operativa; eso incluye velocidades de viento extremas que se producen en condiciones especiales. En segundo lugar, también es necesario que soporten cualquier condición eléctrica desde la red eléctrica a la que están conectados, incluyendo situaciones excepcionales de cortocircuito y falta de suministro. En tercer lugar, los aerogeneradores tienen que ser seguros estructuralmente, lo que implica tolerancia a fallos en los sistemas del aerogenerador.
Y, por último, tienen que mantener unos niveles de ruido limitados en cualquier condición de operación.

Estos requisitos conllevan un conjunto de cargas en la estructura, motivo por el que la evolución tecnológica de esta se ha focalizado en varios aspectos para conseguir estos objetivos. En primer lugar, en reducir las cargas que aparecen en la estructura. La incorporación de más y más inteligencia en las capacidades y operación de los aerogeneradores, incorporando capacidad de proceso en sus sistemas de control, actuadores que alivian las fuerzas que el viento provoca y evitando situaciones extremas. En segundo lugar, en una mejora de las estructuras del aerogenerador para hacerlas más eficientes a la hora de soportar las cargas. Eso incluye el diseño de perfiles aerodinámicos específicos para los aerogeneradores, más grandes y con una eficiencia mejor para altos valores de sustentación. También hay que optimizar la generación de energía mejorando la captura, aumentando la superficie del rotor por unidad de potencia, disponiendo de palas más eficientes y de sistemas de control que permitan adaptarse a las diferentes condiciones de operación. Otros puntos en los que se ha centrado la investigación es mantener una velocidad del extremo de la pala reducida y mejorar la forma para reducir el ruido generado, aumentar el tamaño de los aerogeneradores para reducir el número y ocupar menos espacio, y mejorar la fiabilidad de los aerogeneradores y reducir las necesidades de mantenimiento.

Así, en los últimos treinta años, la reducción de las cargas de los aerogeneradores y del coste de la energía producida han ido de la mano. Paralelamente, el tamaño de los aerogeneradores ha crecido hasta los actuales, en los que las limitaciones principales han dejado de ser técnicas para ser logísticas.

  

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Cuando es preciso transportar los enormes aerogeneradores por tierra, se presentan muchas complicaciones, como pasa con esta pala de 73,5 metros.

 

 

«A partir de 2012 aparecerá una nueva generación de aerogeneradores de grandes dimensiones, orientados al uso marino: unos 150 metros de diámetro de rotor y potencias por encima de los 5 megavatios»

Los aerogeneradores y el entorno

Vivimos en sociedades dependientes del suministro energético exterior, basado en los combustibles fósiles. La sociedad tiene actualmente una necesidad creciente de autonomía energética. Esta autonomía puede plantearse a diferentes niveles: individual, local, regional, estatal o europeo. El más importante es tener en cuenta la sostenibilidad y los riesgos asociados a la falta de autonomía. Por lo que respecta a la reducción de la dependencia energética, la energía eólica, por estar más avanzada, representa, en relación a las otras energías renovables, un papel muy relevante. Como todas las actividades humanas, la energía eólica tiene un impacto asociado, en este caso –como ocurre en general con las energías renovables– el impacto es reversible y se aplica sobre la misma generación que goza de las ventajas.

En el entorno social, otro efecto importante es la generación de empleo. En 2008, y según la Asociación de Productores de Energías Renovables (APPA, 2010), alrededor de 40.000 personas trabajaban en España en el sector eólico, la mitad de manera directa y la otra mitad indirectamente. En Europa, en el 2009, trabajaban directamente en energía eólica 200.000 personas. El impacto sobre la fauna a menudo se convierte en el factor más mediático y aparece como el gran peligro de la energía eólica. Actualmente hay un elevado conocimiento sobre el tema, muy especialmente sobre las rapaces y su relación con los aerogeneradores. Se conocen los lugares de nidificación, sus rutas y cómo reaccionan hacia los aerogeneradores, lo que ha permitido reducir considerablemente este impacto negativo.

Quizá el principal efecto ambiental de la energía eólica es el visual. Es, de hecho, el elemento que más restringe el desarrollo de la energía eólica y el que, en general, mueve más opinión en las fases de desarrollo de las instalaciones. Los aerogeneradores, que son máquinas grandes, se perciben como elementos nuevos en un paisaje donde todos los efectos humanos se han ido integrando a lo largo del tiempo. La principal contradicción, en terrenos orográficamente complicados, es la visibilidad de los emplazamientos que están expuestos al viento. Como se ha comentado anteriormente, la sensibilidad de la producción de energía a la velocidad del viento es extraordinaria. Eso hace prácticamente imposible que las instalaciones eólicas se puedan incorporar a espacios ya aprovechados para otros usos industriales.

En otro orden de cosas, el nivel sonoro de los aerogeneradores es actualmente bastante bajo y no producen tonos o sonidos puros. La emisión acústica de los aerogeneradores es el ruido aerodinámico de las palas; a una distancia de unos 500 metros es muy difícil de discernir del ruido ambiental. 

La integración eólica en la red eléctrica

l sistema eléctrico español es un sistema extremadamente aislado. Con el desarrollo de la energía eólica, desde los años noventa del siglo pasado, esta se ha convertido en una parte importante del sistema. España llega con seguridad a días con una aportación eólica próxima al 50% de la energía eléctrica generada. Los últimos diez años han testificado una evolución tecnológica y organizativa que ha hecho posible la integración de las renovables en el sistema eléctrico español hasta un nivel pionero a escala mundial. En esta evolución, Red Eléctrica de España (REE) ha tenido un papel claro y de liderazgo, y a ello han colaborado una serie de empresas reunidas en la Asociación Empresarial Eólica (AEE). En este entorno se han organizado acciones dirigidas a solucionar varios puntos. En primer lugar, asegurar que los aerogeneradores se adapten a la forma de operar de la red y continúen funcionando ante situaciones excepcionales de fallos en el sistema eléctrico. También se busca disponer de un sistema de predicción fiable de la producción de energía eólica que permita, con tiempo suficiente, tomar decisiones necesarias para gestionar la red eléctrica. Otro punto alrededor del cual se ha trabajado es abrir la red de transporte eléctrico en multitud de puntos para permitir la introducción de la energía generada en un sistema que permita el balance energético más global posible. Otras acciones han sido reforzar las líneas de transporte para permitir los flujos de energía modificados por la instalación de las energías renovables, crear una organización de «despachos delegados» que sirvan para controlar en situaciones críticas la introducción de energías renovables en el sistema eléctrico y, finalmente, gestionar apropiadamente los limitados recursos de almacenamiento (bombeo hidráulico) y las interconexiones desperdigadas.

Desde el punto de vista de la calle, se ve como un hecho normal que se alcancen unos números fabulosos de integración de las energías renovables en el sistema eléctrico, pero sin duda es un gran y singular desafío tecnológico que se ha conseguido con la colaboración de muchos esfuerzos y con un trabajo de I+D considerable. REE está exportando este conocimiento de manera activa y lidera uno de los principales proyectos europeos de integración de las energías renovables en la red eléctrica (TWENTIES).

  
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Montaje de la góndola de un aerogenerador ECO 100 en la fábrica de Alstom Wind en Buñuel (Navarra). Alstom Wind, la unidad de energía eólica de la empresa Alstom, tiene la sede central y su principal centro de I+D en Barcelona. Aunque este aerogenerador de 3 MW no es de los más grandes, impresionan las dimensiones del aparato. Europa continúa ocupando el liderazgo tecnológico en energía eólica. Sin embargo, tanto los EE UU como China están haciendo grandes esfuerzos de investigación en este ámbito.
  

El mar, la nueva frontera

Dinamarca y Alemania son países pioneros en energías renovables y han sido los primeros en aprovechar sus mares para la instalación de la energía eólica, también conocida como energía eólica offshore. Ya hace años que los aerogeneradores se están instalando sobre cimientos soportados en el fondo del mar poco profundo del litoral de estos países. A pocos kilómetros frente a la costa de Copenhague está quizá el más emblemático, perfectamente visible desde la ciudad, una hilera de grandes aerogeneradores en una curva perfecta. 

La instalación de captadores eólicos en el entorno marino tiene hasta ahora un coste superior que en tierra firme, pero en el Mar del Norte, con velocidades de viento muy elevadas, la producción de energía es muy superior al interior continental. Los aerogeneradores en el mar tienen menos limitaciones visuales y de ruido y pueden ser más grandes, porque no hay limitaciones logísticas. Pero tienen que ser mucho más fiables, porque durante períodos relativamente largos será imposible llegar a ellos para hacer cualquier reparación.

Hasta ahora, los aerogeneradores marinos eran variaciones del mismo concepto que los que había en tierra firme. A partir de 2012 aparecerá una nueva generación de aerogeneradores de grandes dimensiones, orientados exclusivamente al uso marino: unos 150 metros de diámetro de rotor y potencias por encima de los 5 megavatios. Los países del mar del Norte han lanzado para los próximos años programas muy ambiciosos, de decenas de gigavatios, que acarrearán el desarrollo de un nuevo tejido industrial de gran importancia económica. Estos programas comprenden infraestructuras eléctricas de interconexión de estas instalaciones.

Hay que mencionar que en la costa de Noruega existe un único aerogenerador flotante en un emplazamiento de 200 metros de profundidad (HYWIND). Aún es un proyecto caro, pero es el primer paso. Los aerogeneradores dejarán la superficie del fondo marino de emplazamientos poco profundos para extenderse por la superficie del mar.

La ruta de la I+D: con la experiencia, mirar adelante

En el 2008, la European Wind Energy Tecnology Platform (TPWIND) definió en un extenso documento (TPWIND, 2009) las principales líneas de I+D para el futuro desarrollo de la energía eólica. TPWIND agrupa más de un centenar de expertos repartidos en diferentes grupos de trabajo (recurso eólico, aerogeneradores, red eléctrica e instalaciones marinas) y revisa periódicamente la implantación y actualización de esta agenda. Europa continúa teniendo un claro liderazgo tecnológico en energía eólica, pero tanto en EE UU como en China se están dedicando grandes esfuerzos a los programas de I+D.

El aprovechamiento eólico, heredero de un gran pasado, está muy cerca de alcanzar un coste competitivo con otras fuentes de energía. Se aprovechará la transparencia en la evaluación de costes de todas las fuentes y del desarrollo de una estrategia de suministro local y sostenible. A la vez, amplía sus posibilidades de implantación en diferentes entornos (bajas velocidades de viento, en el mar, emplazamientos profundos). En el mundo diverso en el que vivimos, continúa creciendo y, por tanto, se presenta con un gran futuro. La generación eólica no ha hecho más que empezar. 

Bibliografía
APPA, 2010. Estudio del impacto macroeconómico de las energías renovables en España. Asociación de Productores de Energías Renovables. Madrid.
DTU, 2011. WAsP, Wind Atlas Analysis and Application Program. Danmark Tekniske Universitet. Roskilde.
EWEA, 2011. Wind Energy Targets for 2020 and 2030. European Wind Energy Association. Bruselas.
Homer, 1996. La Ilíada. Trad. de Manuel Balasch yRecort. Proa. Barcelona.
TPWIND, 2009. Strategic Research Agenda. European Wind Energy Technology Platform. Bruselas.

Pep Prats i Mustarós. Vicepresidente de Tecnologías Avanzadas. Alstom Wind. Miembro del comité ejecutivo de la Plataforma Tecnológica Europea de Energía Eólica (TPWIND).
© Mètode 73, Primavera 2012.

  
© Mètode 2012 - 73. La fuerza del mundo - Primavera 2012

Vicepresidente de Tecnologías Avanzadas. Alstom Wind. Miembro del comité ejecutivo de la Plataforma Tecnológica Europea de Energía Eólica (TPWIND).