UNA APROXIMACIÓN A LA ENERGIA EÓLICA

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1 UNA APROXIMACIÓN A LA ENERGIA EÓLICA Resumen AUTORIA JOSÉ ANTONIO CASTRO FERNÁNDEZ TEMÁTICA LA ENERGÍA EÓLICA. ETAPA SEGUNDO CICLO DE ESO Y BACHILLERATO Este artículo trata de introducir en los alumnos los conceptos básicos de funcionamiento de una central eléctrica eólica con el fin de que se entienda como energía alternativa, renovable, limpia y respetuosa con el medio ambiente. Además de intentar despertar su interés y conciencia por la conservación del medio natural. Al final, se plantean una serie de ideas para que los alumnos en clase debatan sobre ellas y lleguen a alguna conclusión. Palabras clave - Energía limpia, renovable. - Aeroturbina. - Potencia del viento. - Aerogenerador. Multiplicador. Aerofrenos. - Transformador de tensión. Subestación. Seccionamiento. - Impacto ambiental 1. INTRODUCCIÓN. Una instalación eólica está constituida por un conjunto de equipos necesarios para transformar la energía contenida en el viento en energía útil, disponible para ser utilizada. El tipo de aplicación e instalación dependerá, en cada caso, fundamentalmente de las necesidades energéticas del usuario, de la localización, del potencial eólico en el emplazamiento y de la disponibilidad de terrenos. Dentro de las aplicaciones de la energía eólica se pueden distinguir los siguientes tipos: - Instalaciones concebidas como proyectos de inversión y cuyo objeto es verter energía eléctrica a la red de distribución mediante la utilización de aerogeneradores. En general se trata de instalaciones por encima de 1 MW que utilizan máquinas de distinto tamaño siguiendo la tendencia tecnológica de incrementar potencia unitaria de las máquinas empleadas. - Instalaciones eólicas concebidas como proyectos de apoyo de la factura energética para todo tipo de centros de consumo. Estas instalaciones, conectadas al propio sistema de distribución energética del consumidor, incorporan aeroturbinas que suministran potencia en forma eléctrica, mecánica o

2 hidráulica. La dimensión energética de estos proyectos suele depender de la potencia consumidora a la que se da servicio. - Instalaciones cuyo objetivo es el suministro de energía a equipos de desalación o bombas de elevación de agua en pozos. En ambos casos, la energía eólica puede ser el único suministro de energía o bien, actuar como sistema de apoyo, cuando el equipo consumidor deba actuar permanentemente. - En cuarto lugar y como instalaciones no conectadas a la red y de pequeño tamaño se contemplan los mini generadores, cuyo servicio es la electrificación de viviendas aisladas, u otros consumos, bien por sí mismos o acompañados de otros sistemas: fotovoltaicos o diesel. 2. SITUACIÓN INTERNACIONAL. Actualmente el sector eólico está experimentando a nivel mundial unas tasas de crecimiento muy altas, tanto a nivel de potencia instalada como a nivel de desarrollo tecnológico. Fuente: WWEA Fuente: EGEA

3 Dentro del continente europeo, hemos de destacar el papel de Alemania en cuanto a instalaciones de energía eólica. No obstante, y a pesar de que Europa es la mayor productora de esta energía, algunos de los países que la integran, se han estancado en su producción; tal es el caso de Italia. Como medida el gobierno de este país, quiere proporcionar los recursos necesarios para alcanzar un claro objetivo: que un 25% de la electricidad sea de origen renovable. Existe un grado alto de unanimidad entre todos los Estados miembros de la Unión Europea respecto a la valoración de determinados aspectos relacionados con la energía eólica. En aspectos técnicos, se avanza hacia una normalización común de los sistemas de fabricación y certificación, aumentando la cooperación entre ellos. En aspectos medioambientales está fuera de toda duda su incidencia inocua como para pertenecer al grupo de energías renovables y alternativa a recursos tradicionales con un impacto sobre el medio mínimo respecto a otros recursos. En aspectos económicos se debe resaltar que los costes económicos van gradualmente bajando a medida que su tecnología se va desarrollando y poco a poco se confirma como negocio atractivo a grandes inversores. En cuanto al aspecto social, cabe destacar el gran número de puestos de trabajo que se crea en la ejecución y explotación de los proyectos eólicos en comparación con otras energías renovables. Además, buena parte de dichos puestos de trabajo son de carácter local. 3. SITUACIÓN EN ESPAÑA. En España se han venido realizando mediciones eólicas desde hace varios años, tanto por la administración central como por las autonómicas. Estas mediciones permiten el establecimiento de mapas eólicos. El conocimiento de lo recursos eólicos de un país es imprescindible para estimar la energía producible mediante la instalación de equipos eólicos. La evaluación de esta energía producible es compleja y pasa primero por el conocimiento del denominado potencial teórico o bruto, o energía que sería capaz de generar el viento. En la actualidad España disfruta del apoyo de las Administraciones públicas aligerando tramitaciones de permisos, licencias, etc. y a la vez canalizando las partidas económicas que llegan desde la Unión Europea a modo de subvenciones. Ello está provocando interés por parte de inversores, proyectistas y empresarios de modo que se están instalando en los últimos cinco años numerosos parques eólicos.

4 4. ASPECTOS TÉCNICOS El viento. El viento tiene una procedencia directa de la energía solar. El movimiento del aire es el resultado de los diferentes niveles de absorción de la energía del sol, lo que provoca diferentes niveles de calentamiento y de presión en la atmósfera. El desplazamiento del aire tiende a eliminar estos desequilibrios de presión, produciendo así el viento que conocemos. Se pueden definir la existencia de dos tipos de vientos: los generados debidos a la circulación del aire del planeta y otros de carácter local. Estos últimos provienen de calentamientos diferenciales (brisas marinas, corrientes valle-montaña, etc) o están provocados por las características orográficas (efecto de encauzamiento, etc) y topográficas del terreno (efecto de choque, ladera, esquina, etc). Los vientos locales se manifiestan mas claramente cuando los generales son débiles, existiendo zonas en las que son de tal importancia que encubren al general. Cerca de la superficie, el viento es modificado en su trayectoria y frenado por efecto de la interacción con el terreno. Este hecho provoca la existencia de una variación de la velocidad del viento en función de la altura, esto junto con otros parámetros vienen expresados en distintas ecuaciones que se salen del alcance de este artículo. También conviene tener en cuenta que el viento cambia permanentemente de dirección y de velocidad. Siendo las desviaciones de dirección mucho menores en el plano vertical que en el horizontal. Existen algunos mas parámetros de estudio en los que no entraremos; las fluctuaciones de dirección, el valor de n en función del tipo de terreno, el flujo de potencia que define la cantidad de energía encerrada en el viento, la curva de potencia, la curva de duración del viento, etc Infraestructura civil. Se considera obra civil a todas las obras de esa naturaleza que tienen por objeto acceder a las instalaciones, moverse dentro de ellas, implantar los aerogeneradores y elementos auxiliares en el emplazamiento, etc. : Accesos y zanjas; Son accesos todas las obras necesarias para permitir el paso de vehículos desde la carretera mas cercana hasta cada uno de los aerogeneradores. Hay varios tipos en función de su importancia, además se incluye en este apartado la plataforma eólica, la cual tras la terminación de los montajes, se volverá a cubrir vegetalmente.

5 La apertura de zanjas será la que permita la colocación de las líneas eléctricas de distribución desde los aerogeneradores hasta los centros de transformación de baja y media tensión Edificaciones; Son las que albergan los equipos de control, de regulación y sobre todo aquellas que contienen los centros de transformación. En el área de control se realizan las labores de control, seguimiento y administración de las instalaciones. Existe un edificio de servicios generales que incluyen vestuarios, servicios higiénicos, almacén de consumibles y repuestos y taller de reparaciones Infraestructura eléctrica. Se considera infraestructura eléctrica a todos los componentes que posibilitan la conexión con la red o centro de consumo, transportando y adecuando la energía generada por los aerogeneradores Sistema de transporte de la energía eléctrica; Este sistema se encarga de conducir la energía generada por el aerogenerador hasta la línea de distribución de la compañía eléctrica, en el punto de entronque con ésta, o el centro de consumo. El tipo y diseño de trazado dependerá de la potencia a trasportar, del número de aerogeneradores y distancias entre ellos, además obviamente de la distancia hasta el punto de entronque. En instalaciones de poca potencia, el transporte se realiza a la tensión de generación hasta un transformador elevador y de éste hasta el punto de suministro. En estos casos las líneas de b.t. suelen realizarse enterradas y las de m.t. aéreas. En grandes instalaciones dependiendo de criterios de diseño o económicos, se agrupan varios aerogeneradores de 1 a 2MW. y trazar líneas de b.t. hasta cada centro de transformación, existiendo tantos transformadores elevadores como grupos de aerogeneradores. Normalmente las tensiones en estas instalaciones son líneas de 15 o 20KV Transformadores de tensión; El transformador de tensión es un elemento fundamental a la hora de transportar la energía, normalmente las potencias serán entre 1000 a 2000KVA de potencia unitaria o bien de la máxima potencia que admita la compañía eléctrica de la zona y con la capacidad necesaria para la conexión de cada grupo de aerogeneradores a plena carga.

6 El transformador se refrigera mediante un sistema de circuito cerrado de aceite mineral. Dentro del centro de transformación, además del transformador, existen las cabinas de control, esto es, cabinas de seccionamiento, de protección, de medida, etc. En las grandes instalaciones se dispone de una subestación general para toda la instalación en cabecera de la misma. En este caso los transformadores son de grandes dimensiones y permanecen a la intemperie y relativamente cercanas a las edificaciones del parque. En la subestación deben disponerse seccionadores individuales para cada una de las líneas de m.t.. Dichos seccionadores también tendrán que ser instalados en cada una de las bifurcaciones de estas líneas Sistema eléctrico general y de control; Está formado por todos aquellos equipos eléctricos que permiten garantizar el funcionamiento de la instalación en las mejores condiciones técnicas de seguridad y calidad cumpliendo para ello toda la legislación vigente. Entre los equipos necesarios, se encuentran: - Disyuntores y seccionadores para la conexión y desconexión a red. - Transformadores de medida de tensión e intensidad para diversas zonas de la instalación. - Transformadores de equipos auxiliares, para la alimentación de los mismos. - Pararrayos o auto válvulas, para descargar a tierra las sobre intensidades producidas. En el punto de conexión del centro de transformación al punto de consumo o la línea de distribución general se dispone de un equipo de protecciones y de un interruptor automático con rearme motorizado sobre el que actúa el conjunto de relés de protección que detectan valores máximos y mínimos de tensión y frecuencia. Además los aerogeneradores incorporan condensadores para la compensación de energía reactiva, asegurando factores de potencia medios del orden de 0,95. Con ello se consigue optimizar el dimensionado de las líneas de b.t.. También se dispone de una batería de condensadores en cada centro de transformación para conseguir un factor de potencia cercano a la unidad consiguiendo de esta forma una mejor gestión energética Mecanismos; Aerogeneradores y aeroturbinas. A lo largo del tiempo han ido surgiendo diferentes sistemas para el aprovechamiento de la energía contenida en el viento. En general han sido máquinas rotativas de muy diverso tamaño en las que el elemento de captación (rotor) está unido a un eje.

7 La clasificación clásica de este tipo de máquinas ha sido por la posición de su eje: vertical u horizontal. El accionamiento de los elementos captadores móviles es básicamente por sustentación en la mayor parte de los casos Sistemas de generación de eje vertical por sustentación. Básicamente representados por los generadores Darreius y Giromill, esta tecnología presenta ventajas de carácter estructural al no necesitar mecanismo de orientación así como poder instalar el generador eléctrico en tierra. El mayor desarrollo lo ha conseguido el aerogenerador Darreius debido a las características aerodinámicas de las palas que permiten aprovechar el viento dentro de una amplia banda de velocidad. Sin embargo las desventajas son que la producción no es de gran potencia, además de necesitar motorizar el aerogenerador para su arranque Aerogenerador de eje horizontal. Es con gran diferencia el sistema mas utilizado y desarrollado para la captación eólica. Existen de diversos tamaños y potencias. En general estas turbinas constan de un rotor que capta la energía del viento y un sistema de conversión de energía, que mediante un muiltiplicador y un generador transforman la energía mecánica en eléctrica. El conjunto se completa con un bastidor y una carcasa, que alberga los mecanismos, así como una torre sobre la que va montado todo el sistema y los correspondientes subsistemas hidráulicos, electrónicos de control e infraestructura eléctrica. Muy básicamente se definen los componentes: - El rotor; Es la parte de la máquina eólica que transforma la energía del viento en energía mecánica. - El multiplicador; Tiene como función adaptar la baja velocidad de rotación del eje del rotor a las necesariamente mas altas del generador eléctrico. - El generador; Se encarga de transformar la energía mecánica proveniente del rotor del aerogenerador en energía eléctrica que será volcada a la red o a algún centro de consumo. - El bastidor y la carcasa; Son elementos que envuelven los citados anteriormente. Su diseño debe permitir la operación de trabajos de mantenimiento de los diferentes equipos.

8 - Sistemas hidráulicos; Son elementos auxiliares que permiten el sistema de frenado del rotor y del bastidor, así como de los aerofrenos (paso fijo) o en su caso del cilindro hidráulico del sistema de paso de pala (paso variable). - Sistemas eléctricos; El aerogenerador incorpora un sistema eléctrico con doble función diferenciada. La primera es la generación eléctrica propia, llevada a cabo mediante el generador, los contactores e interruptores. La segunda función tiene como objeto el funcionamiento de los equipos auxiliares como son los motores de orientación, del grupo hidráulico, tomas de corriente, resistencias calefactoras, iluminación general y alimentación al sistema electrónico y comunicaciones. - Sistemas de control automatizado. - Control de potencia y régimen de giro. - Control de orientación. - Torres y cimentaciones; Aeroturbinas óleo hidráulicas-basculantes. Esta tecnología ha sido desarrollada en España, se trata de sistema de eje horizontal aunque presenta grandes diferencias con el resto conocido. Las diferencias mas importantes de esta máquina reside en:

9 - El control de potencia se realiza mediante la basculación progresiva de todo el rotor, a partir de la velocidad del viento a la que se obtiene la máxima potencia. - La transmisión de potencia se realiza mediante un fluido a alta presión. Por tanto lo gran ventaja reside en el dominio de la potencia máxima para poder adaptarla a cada tipo de aplicación, generando una energía similar mediante el incremento de horas equivalentes Aerobombas multipalas. Estos equipos son los utilizados históricamente. Son de velocidad baja y se utilizan fundamentalmente en el bombeo de agua en instalaciones aisladas. Su baja velocidad le hace necesario un mayor número de palas, entre 12 y 24. Siendo actuadas por resistencia. Los rotores suelen tener un tamaño entre 5 y 8 m., teniendo su régimen de funcionamiento a partir de de 2 o 3 m/s. 5. ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES. La Energía Eólica no contamina, es inagotable y frena el agotamiento de los combustibles fósiles contribuyendo a evitar el cambio climático. Es una tecnología de aprovechamiento totalmente madura y puesta a punto. Es una de las fuentes más baratas y puede competir en rentabilidad con otras fuentes energéticas tradicionales como las centrales térmicas de carbón (considerado tradicionalmente como el combustible más barato), las centrales de combustible e incluso con la energía nuclear, si se consideran los costes de reparar los daños medioambientales que ocasiona. El generar energía eléctrica, sin que exista un proceso de combustión o una etapa de transformación térmica, supone, desde el punto de vista medioambiental, un procedimiento muy favorable por ser limpio, exento de problemas de contaminación, etc. Se suprimen radicalmente los impactos originados por los combustibles durante su extracción, transformación, transporte y combustión, lo que beneficia la atmósfera, el suelo, el agua, la fauna, la vegetación, etc. Evita la contaminación que conlleva el transporte de los combustibles: Gas, petróleo, gasoil, carbón, etc. y reduce el intenso tráfico marítimo y terrestre cerca de las centrales. Suprime los riesgos de accidentes durante estos transportes como, por ejemplo: Desastres con petroleros,traslados de residuos nucleares, etc. y tampoco hace necesaria la instalación de líneas de abastecimiento complejas como las canalizaciones necesarias para llegar a las refinerías o a las centrales de gas. La utilización de la energía eólica para la generación de electricidad presenta nula incidencia sobre las características fisicoquímicas del suelo o su erosionabilidad, ya que no se produce ningún contaminante que incida sobre este medio ni tampoco vertidos o grandes movimientos de tierras.

10 Al contrario de lo que puede ocurrir con las energías convencionales, la energía eólica no produce ningún tipo de alteración sobre los acuíferos ni por consumo, ni por contaminación por residuos o vertidos. La generación de electricidad a partir del viento no produce gases tóxicos, ni contribuye al efecto invernadero, ni destruye la capa de ozono así como tampoco crea lluvia ácida. No origina productos secundarios peligrosos ni residuos contaminantes. La electricidad producida por un aerogenerador evita que se quemen diariamente miles de litros de petróleo y miles de kilogramos de lignito negro en las centrales térmicas. Como a todo proceso tecnológico, se le puede buscar inconvenientes, por ejemplo, el aire, al ser un fluido de pequeño peso específico, implica fabricar máquinas grandes y en consecuencia caras. Su altura puede igualar a la de un edificio de diez o más plantas, en tanto que la envergadura total de sus aspas alcanza la veintena de metros, lo cual encarece su producción. Desde el punto de vista estético, la Energía Eólica produce un impacto visual inevitable, ya que por sus características precisa unos emplazamientos que normalmente resultan ser los que más evidencian la presencia de las máquinas (cerros, colinas, litoral). En este sentido, la implantación de la Energía Eólica a gran escala, puede producir una alteración clara sobre el paisaje, que deberá ser evaluada en función de la situación previa existente en cada localización. Un impacto negativo es el ruido producido por el giro del rotor, pero su efecto no es más acusado que el generado por una instalación de tipo industrial de similar entidad, y siempre que estemos muy próximos a los molinos. También ha de tenerse especial cuidado a la hora de seleccionar un parque si en las inmediaciones habitan aves, por el riesgo de mortandad al impactar con las palas, aunque existen soluciones al respecto como pintar en colores llamativos las palas, situar los molinos adecuadamente dejando pasillos a las aves, e, incluso en casos extremos hacer un seguimiento de las aves por radar llegando a parar las turbinas para evitar las colisiones. 6. EJERCICIOS PARA CLASE. El objetivo del tema ha sido concienciar a los alumnos de la importancia que tiene desarrollar las nuevas tecnologías en la búsqueda de energías limpias e inocuas para el medio ambiente. Los alumnos deberán debatir sobre el tema, pensando en los pros y contras de los parques eólicos y su impacto final, y si es beneficioso a la larga. 7. BIBLIOGRAFÍA.

11 BARRACHINA, M. (1987). El libro de la energía. Madrid: FAE. CARDONA, J..L. (1981). Energía eólica y aeroturbinas. Instituto Nacional de Industria. PIORNO HERNÁNDEZ, A. Y ORGAZ OVIEDO, F. (1993). Energías renovables: aproximación a su estudio. Amarú Ediciones. Salamanca. Autoría. José Antonio Castro Fernández. Córdoba. ja_castro2@hotmail.com