Energía eólica: Conversión del movimiento del aire en electricidad limpia

Energía eólica

El viento es una forma de energía solar. Los vientos se originan por el calentamiento desigual de la atmósfera por el sol, las irregularidades de la superficie terrestre y la rotación del planeta. Los patrones de flujo del viento se modifican por el terreno, los cuerpos de agua y la cubierta vegetal. La energía eólica es la energía cinética del aire en movimiento, y puede aprovecharse. La potencia eólica es la conversión de esta energía en una forma útil, como energía eléctrica mediante aerogeneradores, energía mecánica mediante molinos de viento, bombeo o drenaje de agua con bombas eólicas, y como velas para propulsar barcos.

La energía eólica es una fuente renovable o no convencional, limpia y no contaminante. Está disponible en grandes cantidades en muchas partes del mundo y no genera gases de efecto invernadero durante la producción de electricidad.

Potencial global de la energía eólica

La cantidad total de energía económicamente extraíble del viento es muy alta. Axel Kleidon, del Instituto Max Planck en Alemania, realizó un cálculo "top-down" partiendo de la radiación solar entrante que impulsa los vientos al crear diferencias de temperatura en la atmósfera. Concluyó que se podrían extraer entre 18 y 68 TW (teravatios, un billón de vatios). Cristina Archer y Mark Z. Jacobson presentaron una estimación "bottom-up" basada en mediciones reales de velocidades del viento, calculando 1700 TW de potencia eólica disponible a 100 metros de altitud sobre tierra y mar, de los cuales entre 72 y 170 TW serían extraíbles de forma práctica y competitiva, estimando posteriormente 80 TW. Sin embargo, investigaciones de la universidad de Harvard estiman 1 W/m² de media y capacidades de 2 a 10 MW/km² para parques eólicos a gran escala, sugiriendo que las estimaciones globales son demasiado altas en un factor de aproximadamente 4.

Generación de energía eléctrica a partir del viento

La generación de energía eléctrica a partir de la energía eólica se realiza mediante aerogeneradores. Cada aerogenerador está acoplado a un generador (alternador). En términos simples, un aerogenerador es lo opuesto a un ventilador: en lugar de usar electricidad para crear viento, usa el viento para generar electricidad. El viento gira las aspas, que hacen girar un eje conectado a un generador para producir electricidad. Varios aerogeneradores se conectan para obtener la potencia deseada; este conjunto se denomina parque eólico, y normalmente se construye donde la velocidad del viento es suficiente para mover las aspas.

Potencia a partir de la energía eólica

El uso de la energía eólica para generar electricidad crece rápidamente. El principio de generación se basa en la energía cinética del aire en movimiento. La energía eólica total que fluye a través de un área imaginaria A durante el tiempo t se expresa mediante la ecuación:

Donde ρ es la densidad del aire, v la velocidad del viento, Avt el volumen de aire que pasa por A (perpendicular a la dirección del viento), y ½ ρv² la energía cinética por unidad de volumen. La potencia es energía por unidad de tiempo, por lo que la potencia eólica incidente en A (igual al área del rotor de un aerogenerador) es:

De esta ecuación se infiere:

• La potencia es directamente proporcional a la densidad del aire ρ. A mayor densidad, mayor potencia.
• La potencia es directamente proporcional al área barrida por las aspas. Al aumentar la longitud de la aspa, aumenta el radio del área barrida y la potencia.
• La potencia eólica varía con la velocidad y, en una corriente de aire abierta, es proporcional al cubo de la velocidad del viento (v). La potencia disponible se multiplica por ocho al duplicar la velocidad. Los aerogeneradores para red eléctrica deben ser especialmente eficientes a altas velocidades.

Aerogeneradores

En una central eólica, el aerogenerador usa la energía cinética del viento para girar el motor principal del alternador y generar electricidad. Cuando el viento golpea las aspas con suficiente fuerza, estas giran. Las aspas están acopladas a un rotor, que a su vez está conectado a un eje de baja velocidad. Este eje se conecta al eje de alta velocidad del generador mediante un sistema de engranajes que eleva la velocidad de rotación a la nominal del generador.

Los aerogeneradores incluyen un controlador que inicia o detiene la máquina según la velocidad del viento. Operan dentro de un rango: arrancan al superar el límite inferior y se detienen automáticamente al alcanzar el límite superior (velocidad de supervivencia). Todos los aerogeneradores están diseñados para esta velocidad máxima.

Un anemómetro mide la velocidad del viento y envía datos al controlador. Un freno detiene el rotor mecánica, eléctrica o hidráulicamente en emergencias. También cuentan con veleta, sistema de orientación (yaw drive) y motor de orientación para medir la dirección del viento y mantener el aerogenerador frente a él cuando cambia.

Tipos de aerogeneradores

Existen dos tipos principales: de eje horizontal (HAWT) y de eje vertical (VAWT). Los de eje horizontal se dividen en upwind (viento frontal) y downwind (viento posterior); los de eje vertical, en basados en arrastre y basados en sustentación.

• HAWT upwind: El eje del aerogenerador y del alternador están alineados horizontalmente; las aspas están delante de la torre, por lo que el aire las golpea primero.
• HAWT downwind: Los ejes también son horizontales, pero las aspas están detrás de la torre; el viento golpea la torre antes que las aspas.
• VAWT basados en arrastre: El eje del generador es vertical con las aspas hacia arriba; suelen montarse en el suelo o en torres pequeñas.
• VAWT basados en sustentación: El eje del generador es vertical con las aspas hacia arriba. La mayoría de los aerogeneradores grandes modernos son de eje horizontal por su alta eficiencia, ya que las aspas siempre se mueven perpendicularmente al viento y reciben energía durante toda la rotación.

Componentes principales

• Áspas o rotor: convierten la energía del viento en energía rotacional del eje.
• Tren de potencia: incluye caja de engranajes y generador.
• Torre: soporta el rotor y el tren de potencia.
• Equipos de balance: controles, cables eléctricos, equipos de apoyo en tierra e interconexión.

Figura 1: Componentes de un aerogenerador

Parques eólicos

Un parque eólico es un grupo de aerogeneradores en una misma ubicación para producir electricidad. Uno grande puede tener varios cientos de turbinas distribuidas en una zona extensa, pero el terreno entre ellas puede usarse para agricultura u otros fines. También pueden ubicarse mar adentro (offshore).

Casi todos los aerogeneradores grandes tienen el mismo diseño: eje horizontal, rotor upwind de tres aspas, conectado a una góndola (nacelle) sobre una torre tubular alta. En un parque eólico, las turbinas se interconectan con un sistema de recogida de media tensión (≈33 kV) y red de comunicaciones. En una subestación, un transformador eleva la tensión para conectar a la red de transporte de alta tensión.

Especificaciones de diseño y rendimiento

El diseño se basa en una curva de potencia y disponibilidad garantizada. El rango típico de temperatura de operación es -20 a 40 °C; en climas extremos se requieren versiones especiales. Los aerogeneradores se diseñan y validan según normas IEC 61400.

La aerodinámica de un HAWT es compleja. En 1919, Albert Betz demostró que una máquina ideal no puede capturar más del 59,3% de la energía cinética del viento (límite de Betz). Los aerogeneradores modernos se acercan a este límite, alcanzando el 60-70% del teórico.

Los aerogeneradores están diseñados para producir potencia máxima en un amplio rango de velocidades y tienen tres modos de operación:

• Por debajo de la velocidad nominal.
• Alrededor de la velocidad nominal (generalmente a capacidad de placa).
• Por encima de la velocidad nominal.

Si se excede la velocidad nominal, la potencia debe limitarse mediante un sistema de control con sensores, actuadores y algoritmos.

Otros aspectos de la energía eólica

• Factor de carga (PLF): Como la velocidad del viento no es constante, la producción anual nunca alcanza la suma de las potencias nominales por horas del año. La relación entre producción real y teórica máxima es el PLF, típico del 15-40%. Valores altos se logran en sitios favorables y con mejoras de diseño.
• Fiabilidad: Rara vez sufre fallos mayores, ya que fallos en turbinas individuales apenas afectan la potencia total; la energía eólica distribuida es altamente fiable y predecible.
• Impacto ambiental: Aunque menor que plantas de combustibles fósiles, hay preocupación por ruido de aspas, impacto visual y aves que chocan contra rotores.
• Intermitencia: El mayor reto es que el viento no siempre sopla cuando se necesita electricidad. El viento no puede almacenarse (aunque la electricidad generada sí, con baterías), y no todos los vientos pueden aprovecharse para coincidir con la demanda. Los buenos sitios eólicos suelen estar lejos de los centros de consumo.
• Uso del suelo: El desarrollo eólico compite con otros usos del terreno, pero las turbinas pueden ubicarse en tierras de pastoreo o cultivo.