Energía Eólica

La energía eólica es aquella que se genera gracias a la energía cinética producida por las masas de aire en movimiento. Esta energía, que sigue en proceso de desarrollo, nace como respuesta a una mayor demanda del consumo energético, la necesidad de garantizar la continuidad del suministro en zonas importadoras netas de recursos energéticos y de la búsqueda de la sostenibilidad en el uso de los recursos.

En general las mejores zonas de vientos se encuentran en la costa , debido a las corrientes térmicas entre el mar y la tierra; las grandes llanuras continentales, por razones parecidas; y las zonas montañosas, donde se producen efectos de aceleración local.

Recurso eólico

Sin duda uno de los grandes obstáculos que debe salvar la tecnología eólica, es la alta variabilidad del viento. Las grandes empresas eléctricas tratan de encontrar emplazamientos donde los niveles de viento y sus variaciones sean adecuados para instalar molinos generadores.

Formación de las corrientes de viento

Se entiende por viento el movimiento de masas de aire en la atmósfera. La diferencia de presión atmosférica entre dos puntos geográficos distintos es la causa de dicho movimiento.

Figura 1: Cinturones de viento terrestre

Como es sabido, la presión de un gas varía con la temperatura, así en las zonas próximas al ecuador, que reciben mayor radiación del sol y por tanto son más calurosas, la densidad del aire es menor y las presiones atmosféricas son inferiores. Cuanto más alejado este un punto del ecuador mayor será su presión atmosférica. Según lo anterior, las corrientes de aire tienden a elevarse y circular por la atmósfera para caer de nuevo al mezclarse con las masas de aire frio. En su movimiento, las corrientes se ven influidas por la rotación del globo debido al efecto coriolis (figura 1).

Si bien las causas y efectos en la formación de corrientes pueden parecer claros, existen multitud de factores que alteran dichos movimientos y que le confieren al viento su carácter imprevisible.

Variabilidad del viento

Como se ha dicho, son muchos los agentes externos que pueden alterar los movimientos y las intensidades de las corrientes de viento. Accidentes geográficos, vegetación, cambios estacionales de temperatura o el mencionado efecto coriolis, son algunos de ellos pues influyen sobre el viento tanto a nivel local como planetario.

Pese a la dificultad de predecir cambios en la intensidad de las corrientes de aire a largo plazo, la distribución de Weibull es un método estadístico que pretende estimar la probabilidad de que un determinado régimen de viento se de en un lugar concreto. La función de distribución expresa la probabilidad de que una velocidad del viento exceda un valor límite durante un periodo determinado.

Los parques eólicos se sirven de este tipo de recursos de probabilidad para estimar la intensidad del viento en determinadas zonas y calcular su producción.

Turbulencia

Debido a la rugosidad del terreno y a las variaciones de temperatura, el desplazamiento local de las corrientes de aire dista mucho de ser ordenado y suave, siendo, por tanto, de carácter turbulento. Se entiende por flujo turbulento, las fluctuaciones rápidas y caóticas de las magnitudes de un fluido en movimiento. Si bien la velocidad media del viento es relativamente estable, a lo largo del día se pueden registrar multitud de velocidades distintas en torno a esa velocidad media.

Este flujo desordenado afecta altamente al trabajo de un aerogenerador pues provoca cargas, tensiones y componentes vibratorias negativas que pueden producir fatiga en los materiales. Por otro lado, las ráfagas de viento actuarán sobre la máquina acelerando el giro bruscamente y variando la energía que el generador eléctrico entrega en cada momento, este hecho puede afectar al equilibrio del sistema eléctrico si el generador se encuentra acoplado a la red.

Pese a su carácter imprevisible, existen modelos matemáticos que tratan de describir el flujo turbulento, un ejemplo son las ecuaciones de Navier-Stokes. Sin importar el porqué de este fenómeno se recurre de nuevo a medios estadísticos que trabajan con espectros de turbulencia, para calcular su intensidad, y de alguna forma poder predecir en qué medida se verá afectado el rotor del molino cuando esté funcionando.

Fundamentos aerodinámicos

Son muchos los sistemas que se enfrentan al rozamiento del aire cuando están en funcionamiento y que por tanto requieren un buen estudio aerodinámico. En el caso de molinos de generación eléctrica este hecho se convierte en una necesidad pues lo que se pretende no es solo minimizar el rozamiento, sino además, extraer energía del viento.

Teoría del disco actuador

Esta teoría recurre a un modelo simplificado del rotor eólico para explicar cómo y por qué se produce un intercambio de energía cuando el viento atraviesa el aerogenerador. Se considera una turbina ideal, con un número infinito de palas y representada por un disco de espesor nulo y área igual a la barrida por las palas al girar, conocido como disco actuador (figura 2).

Figura 2: Tubo de corriente y disco actuador

Hipótesis de partida:

Movimiento estacionario.
Flujo incompresible
Velocidad inducida unidimensional y uniforme
Fluido no viscoso
Estela no giratoria

El diferencial de masa que atraviesa la sección del disco actuador se puede calcular como:

𝑑𝑚 = 𝜌𝐴𝑈𝑑𝑡

La energía cinética del viento o energía cinética extraíble por el rotor será entonces:

$dE_{c}=dm\frac{U^{2}}{2}=\frac{1}{2}\rho AU^{3}dt$

y la finalmente potencia total del viento es:

$P_{v}=\frac{dE_{c}}{dt}=\frac{1}{2}\rho AU ^{3}$

Se considera un flujo aire que se desplaza uniformemente dentro de un tubo que contiene el disco, la sección del tubo es menor a la entrada que a la salida. A medida que el fluido atraviesa el tubo va perdiendo velocidad debido al cambio de sección. Aplicando la ley de conservación de masa en distintas secciones del tubo (figura 3), se calcula el gasto másico:

𝐺 = 𝜌𝐴₁𝑢₁ = 𝜌𝐴₂𝑢₂ = 𝜌𝐴₃𝑢₄ = 𝜌𝐴₄𝑢₄

Figura 3: Velocidad del viento y presión en las distintas partes del tubo de corriente.

y puesto que:

𝐴2 = 𝐴3

la velocidad del viento se verá inalterada en su paso por la turbina:

𝑢₂ = 𝑢₃

la ecuación de cantidad de movimiento para el tubo de corriente, según la dirección del eje de la turbina es:

𝐹 = (𝜌𝐴₁𝑢₁)𝑢₁ − (𝜌𝐴₄𝑢₄)𝑢₄ = 𝐺(𝑢₁ − 𝑢₄)

Así pues, el viento, al verse frenado, ejerce una fuerza sobre el disco actuador y se produce, por tanto, un intercambio de energía.

Por otro lado la fuerza que ejerce el viento sobre el disco actuador y en definitiva sobre el rotor eólico se puede calcular a partir de la diferencia de presión del aire antes y después de la turbina:

𝐹 = 𝐴₂(𝑝₂ − 𝑝₃)

Si se aplica la ecuación de Bernoulli entre las sección de entrada al tubo de corriente y la cara frontal del disco, y entre la cara posterior del disco actuador y la sección de salida del tubo de corriente (1-2 y 3-4), se puede calcular la presión del aire antes y después del rotor eólico.

$p_{1}+\frac{1}{2}\rho u _{1}^{2}=p_{2}+\frac{1}{2}\rho u _{2}^{2}$

$p_{3}+\frac{1}{2}\rho u _{3}^{2}=p_{4}+\frac{1}{2}\rho u _{4}^{2}$

teniendo en cuenta que:

𝑝₁ = 𝑝₄ = 𝑝_𝑎

se obtiene una nueva expresión de la fuerza del viento sobre la turbina.

$F=A_{2}(p_{2}-p_{3})=\frac{1}{2}\rho A_{2}(u_{1}^{2}-u_{4}^{2})$

Igualando esta ecuación a la obtenida al aplicar la teoría de la cantidad de movimiento:

$\frac{1}{2}\rho A_{2}(u_{1}^{2}-u_{4}^{2})=\rho A_{2}u_{2}(u_{1}-u_{4})$

Se deduce que la velocidad del aire en la sección del disco actuador es:

$u_{2}=u_{3}=\frac{u_{1}+u_{4}}{2}$

De manera que el fluido pierde la mitad de su velocidad antes de alcanzar la turbina y la otra mitad, una vez atravesado el rotor

Aerogeneradores de eje horizontal

Instalación de la torre para una turbina de 3 MW.

Palas de un aerogenerador.

Detalle del buje de una turbina eólica.

Son aquellos en los que el eje de rotación del equipo se encuentra paralelo al suelo. Esta es la tecnología que se ha impuesto, por su eficiencia y confiabilidad y la capacidad de adaptarse a diferentes potencias.

Las partes principales de un aerogenerador de eje horizontal son:

Rotor: las palas del rotor, construidas principalmente con materiales compuestos, se diseñan para transformar la energía cinética del viento en un momento torsor en el eje del equipo. Los rotores modernos pueden llegar a tener un diámetro de 42 a 80 metros y producir potencias equivalentes de varios MW. La velocidad de rotación está normalmente limitada por la velocidad de punta de pala, cuyo límite actual se establece por criterios acústicos.
Góndola o nacelle: sirve de alojamiento para los elementos mecánicos y eléctricos (multiplicadora, generador, armarios de control, etc.) del aerogenerador.
Caja de engranajes o multiplicadora: puede estar presente o no dependiendo del modelo. Transforman la baja velocidad del eje del rotor en alta velocidad de rotación en el eje del generador eléctrico.
Generador: existen diferente tipos dependiendo del diseño del aerogenerador. Pueden ser síncronos o asíncronos, jaula de ardilla o doblemente alimentados, con excitación o con imanes permanentes. Lo podemos definir como parte del aerogenerador que convierte la energía en electricidad.
La torre: sitúa el generador a una mayor altura, donde los vientos son de mayor intensidad y para permitir el giro de las palas y transmite las cargas del equipo al suelo.
Sistema de control: se hace cargo del funcionamiento seguro y eficiente del equipo, controla la orientación de la góndola, la posición de las palas y la potencia total entregada por el equipo.

Todos los aerogeneradores de eje horizontal tienen su eje de rotación principal en la parte superior de la torre, que tiene que orientarse hacia el viento de alguna manera. Los aerogeneradores pequeños se orientan mediante una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de dirección y se orientan por servomotores o motorreductores.

Frente a los aerogeneradores monstruos que la gran industria está instalando en el mar (offshore), con palas de 200 metros, turbinas con componentes superconductores, capaces de generar 50 Mw, como el SUMR50, aprovechando las ventajas de la gran escala y reduciendo considerablemente los costos unitarios de inversión. Los aerogeneradores de potencia intermedia denominados (de la clase 2 Megavatios), están adquiriendo un protagonismo considerable, debido a que son modelos que llevan en el mercado más de 20 años, tienen una tecnología madura con unos costes de desarrollo totalmente amortizados y están fabricados con nuevos materiales que les dan una eficiencia y manejo sin competencia.

Se componen de un nuevo generador eléctrico superconductor más ligero, por ello pueden obtener la misma potencia con menor velocidad de rotación. Al ser más ligeros, el multiplicador (el conjunto de engranajes que transmite y multiplica el movimiento de las palas al generador) no debe hacer tanto esfuerzo, eso permite reducir el peso del conjunto, así como el número de engranajes del multiplicador, lo que simplifica y aligera la estructura del conjunto. Por otro lado la simplificación de las normativas para su instalación y de las aplicaciones dedicadas, evitando la instalación de costosas líneas de transporte y distribución, ha contribuido a una reducción de costes de inversión y por lo tanto a una implantación masiva.

Energía eólica offshore

La energía eólica offshore, o eólica marina, se diferencia de la energía eólica onshore tradicional en que la ubicación del parque eólico se encuentra en el mar en vez de en tierra.

La energía eólica es la que se obtiene del viento a partir de la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire. La distribución no uniforme de la energía absorbida por la atmosfera y la consiguiente formación e gradientes térmicos, es la causa primaria del movimiento de las masas de aire y, por tanto, origen de la energía eólica.

La radiación solar, absorbida irregularmente por la atmosfera, da lugar a masas de aire con diferentes temperaturas y por tanto, diferentes densidades y presiones. El aire, al desplazarse desde las altas hacia las bajas presiones, da lugar al fenómeno conocido como viento. Se estima que la energía contenida en los vientos es aproximadamente el 2% del total de la energía solar que alcanza la Tierra (casi dos billones de tep al año) y aunque en la práctica solamente podría ser utilizada una parte muy pequeña de esa cifra (del orden del 5%), la cantidad de energía que ello representa hace de la energía eólica una de las fuentes de energía renovables con mayor potencial.

El aprovechamiento de la energía eólica se hace mediante aerogeneradores en los que se halla un generador eléctrico activado por el movimiento rotatorio de unas aspas impulsadas por el viento y solidarias a un eje que se engrana con el del generador eléctrico. Estos aerogeneradores se instalan agrupados formando los llamados parques eólicos para reducir costes y evacuar toda la energía generada desde un solo punto. Estos parques tradicionalmente se han situado en tierra, sin embargo, últimamente se han estado desarrollando nuevas tecnologías y adaptando las existentes para aprovechar también el recurso eólico presente en el mar.

El diseño de un parque eólico marino no dista mucho de uno en tierra. La mayor diferencia es el estudio del emplazamiento ya que la profundidad del mar es un factor crítico para su viabilidad técnica y económica. También el cálculo y el tendido de la línea submarina varían bastante de las típicas líneas aéreas usadas para la conexión a red de un parque en tierra firme.

Habrá que diseñar también una subestación offshore en la que se elevará la tensión a los 220 kV de nivel de tensión de la red de transporte española, para posteriormente conectarla con la subestación de evacuación del sistema eléctrico. Esta conexión se realizará mediante una línea de transporte submarina, y posteriormente subterránea, hasta que lleguemos al punto de interconexión con la red de transporte de alta tensión.

Es decir, que las partes principales de una instalación eólica offshore son:

las turbinas
las cimentaciones de las mismas
la subestación offshore
la línea de evacuación
el punto de conexión a tierra

Hay que tener en cuenta que todos los elementos instalados deben tener unas protección contra atmósferas salinas y húmedas. Esto se puede conseguir con revestimientos especiales como en el caso de los aerogeneradores o mediante su instalación en celdas blindadas con SF6, un gas inerte que sirve como protección, utilizadas en los centros de transformación y en la subestación.

Por último, es importante destacar la diferencia entre los desgloses de costes entre un parque onshore y un parque offshore

Se puede comprobar como varían los costes en función de qué tipo de parque estemos implantando. A fecha de hoy resulta difícil establecer precios promedio por MW instalado que se puedan extrapolar a futuros parques offshore, aunque suelen oscilar entre los 2,2 y 3 M€/MW. Este hecho se debe a varias circunstancias, entre las que se destaca: no se han construido suficientes instalaciones para poder estimar este coste por comparación entre ellas, las tecnologías constructivas y eléctricas son muy distintas entre ellos y, finalmente, la variación de costes es muy considerable atendiendo a las economías de escala.

La implantación de la energía eólica offshore conlleva importantes ventajas pero también supone grandes retos.

Ventajas y desventajas

Las condiciones especiales del medio marino suponen importantes ventajas para el aprovechamiento de la energía eólica:

En el mar la rugosidad superficial es muy baja en comparación con el medio terrestre y no existen obstáculos que puedan reducir la velocidad del viento. Esto favorece la circulación del viento a mayores velocidades y hace innecesario el tener que subir la altura de la torre más de lo que obligue la suma del semidiámetro del rotor y la altura máxima de la ola prevista. Por lo general, los vientos van ganando en velocidad al separarnos de la costa.
El recurso eólico es mayor y menos turbulento que en localizaciones próximas en línea de costa sin accidentes geográficos. La existencia de menor turbulencia ambiental en el mar disminuye la fatiga a la cual se encuentra sometido un aerogenerador aislado, y aumenta su vida útil.
Las áreas marinas disponen además de enormes espacios donde colocar aerogeneradores, lo que ofrece la posibilidad de instalar parques mucho más grandes que en tierra.
La vastedad de este medio, unido a su lejanía con los núcleos de población, consigue reducir también el impacto visual sobre el paisaje
Su ubicación lejos de lugares habitados permite suavizar las restricciones impuestas por las autoridades ambientales en relación con la emisión y propagación de ruido e incrementar la velocidad de punta de pala, con la correspondiente disminución de su peso y de las estructuras que las soportan, consiguiendo una reducción significativa del coste de fabricación del aerogenerador en su conjunto

Sin embargo, no todo es tan sencillo; de ser así, habría hoy muchos más megavatios offshore en funcionamiento. Estas instalaciones marinas tienen también importantes desventajas respecto a las terrestres:

La evaluación del recurso eólico en la Zona de Discontinuidad Costera (< 10 km) es más compleja y mucho más cara que en tierra.
No existen infraestructuras eléctricas que conecten las áreas con mayores recursos eólicos en mitad del mar con los centros de consumo. La situación es semejante a lo experimentado por el sector del gas natural cuando descubrieron importantes yacimientos de este recurso en el Mar del Norte, antes de que hubiese gasoductos con los que poder trasladarlos al continente.
Los costes de la cimentación y las redes eléctricas de estas instalaciones encarecen en gran medida la tecnología offshore: si en tierra los aerogeneradores suponen del orden del 75% de la inversión total de un parque eólico, en el mar representan aproximadamente un 35%. Por su parte, el coste de la obra civil en un parque eólico marino tipo se eleva con respecto a tierra firme y el de las infraestructuras eléctricas en un 26% (6% en tierra).
Las limitaciones de acceso y las dificultades para trabajar en medio del mar en la fase de montaje y en el mantenimiento de la instalación.
El aumento de los costes y dificultades de construcción, según el proyecto vaya alejándose de la costa o aumente la profundidad marina, siendo este último uno de los principales argumentos esgrimidos para justificar la nula penetración de la energía eólica marina en España.
Debido a la mayor propagación de las turbulencias por la baja rugosidad del mar, el efecto provocado por la propia estela de los aerogeneradores sobre el resto de las máquinas de un parque eólico es más importante en este medio que en tierra, lo que disminuye la vida útil de las turbinas. Para evitarlo, las máquinas requieren más separación entre ellas y esto implica un aumento de la inversión.

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Universidad de Cantabria