LA ENERGÍA EÓLICA: Principios básicos y tecnología.

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1 LA ENERGÍA EÓLICA: Principios básicos y tecnología. Leganés, 2002, Antonio Lecuona Neumann Catedrático de Máquinas y Motores Térmicos, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Ingeniería, Universidad Carlos III de Madrid Documento1 Versión 4.0

2 Índice Página 1. - Introducción Evolución histórica 1.2. Tecnología actual y proyección hacia el futuro 2. - Recursos eólicos 2.1. Caracterización energética Energía del viento Caracterización energética de las variaciones temporales del viento 2.2. Recursos eólicos en España 3. - Aerodinámica de aeroturbinas 3.1. Teoría de cantidad de movimiento y límite de Betz 3.2. Teoría del momento cinético 3.3. Perfiles aerodinámicos 3.4. Teoría del elemento de pala 3.5. Actuaciones de las aeroturbinas 4. - Caracterización medioambiental y seguridad 5. Aspectos económicos y de gestión 6. Tecnología de futuro 7. Bibliografía 8. Diccionario de términos comunes Pág. I

3 1.- Introducción. La energía eólica supone actualmente una fuente de energía renovable, competitiva con otras fuentes de energía renovables e incluso con las tradicionales no renovables. Actualmente se encuentra en rápida expansión y dispone de una tecnología madura. En 1994 la potencia eléctrica instalada en los países que hacen mas uso de ella sigue las cifras de la tabla 1.1, las cuales contrastan fuertemente con las de finales del 2 000: País Aerogeneradores instalados MWe 1994 Mwe 2000 Estados Unidos Alemania Dinamarca Inglaterra? 170 Holanda? 147 España? Tabla Potencia eléctrica instalada sobre la base de energía eólica en 1994 y Gran parte de este desarrollo ha ocurrido en la década de los 90. Se preveia una aceleración para los primeros años del próximo siglo, tal y como puede verse en la figura 1.1. Figura Capacidad generadora de los países europeos de energía eléctrica de procedencia eólica. La barra superior muestra la instalada en La barra inferior muestra la evolución prevista para el año Las cifras entre paréntesis muestran la contribución porcentual de la energía eólica frente a la total. Esa previsión ha sido ampliamente superada. La European Wind Energy Association estimaba que para el año un 10% de la electricidad en la Unión Europea puede ser de origen eólico. La UE ha resuelto fijar para que el 12% de la generación primaria de energía provenga de fuentes renovables. Esto supone un 20% de la electricidad. En nuestro país, el Plan nacional de Promoción de las Energías Renovables estima instalar MW para 2010, aunque los datos de las Comunidades Autónomas señalan valores superiores. Navarra estima generar un 46% de su consumo con energía eólica para

4 Si se consideran los costos ocultos debidos a la contaminación atmosférica, daños día a día a las construcciones y a las personas, daños y costos de limpieza de los vertidos habituales y accidentales, la energía eólica puede considerársela actualmente menos costosa que las formas convencionales de producción de energía eléctrica. Su coste interno está actualmente dentro de un intervalo entre 0,04 y 0,09 ¼N:K La fabricación de turbinas eólicas constituye una industria floreciente (se han fabricado unidades de aerogeneradores modernos) y por lo tanto una riqueza en sí misma, estimándose que los países en vías de desarrollo pueden ser importadores futuros que signifiquen un aumento importante de la facturación de aquellas industrias que logren sistemas evolucionados y competitivos. India y China constituyen mercados potenciales amplios. Dinamarca, el país europeo mas avanzado en este aspecto exportó en 1994 por valor de 40 mil millones de pesetas. El tamaño unitario ha aumentado desde los 100 kw de potencia nominal y 20 m de diámetro a los 600 a kw y 40 a 60 m de diámetro. El costo de la energía eólica está dominado por el costo de adquisición del aerogenerador y su infraestructura, el cual es aún alto debido a la falta de economías de escala. La salida de esta situación se ha visto incentivada por subvenciones directas de I+D, por regulaciones del precio de adquisición de la energía eléctrica producida eólicamente por parte de las compañías eléctricas o por favorecer económicamente la instalación de aerogeneradores en lugar de otro tipo de tecnología. Podría considerarse que estas subvenciones distorsionan el mercado de la energía e impiden una auténtica competencia libre. Aún siendo esto cierto, no es menos cierto que la industria energética convencional ha recibido en el pasado ayudas económicas y privilegios de mercado, que hacen que su posición actual sea en parte herencia de ellas. El valor económico de la energía eólica es mayor del derivado de su coste, pues se genera cerca de donde se consume, lo cual ahorra pérdidas de transmisión, inevitable en las grandes centrales convencionales por tener que estar radicadas lejos del consumidor. Por otra parte, la instalación de un parque eólico genera empleo localmente en mayor medida que otras formas de energía. Un aspecto económico importante radica en los costos evitados por la importación de crudo, aparte de los costos ocultos del daño ecológico, como la lluvia ácida y el calentamiento global. Observando el mapa eólico europeo, mostrado en la figura 1.2 resulta evidente que los mejores vientos se encuentran en las costas occidentales y en menor medida en las costas del Mediterráneo y cuenca del Ebro

5 Figura Mapa eólico europeo. Las regiones más oscuras muestran recursos eólicos mayores. No incluye a Alemania del Este. Este tipo de energía carece de residuos de ningún tipo, no requiere materiales exóticos o escasos, no emite contaminantes a la atmósfera y tan sólo puede atribuírsele una ligera emisión de ruido acústico y una alteración del paisaje, como inconvenientes dignos de tener en cuenta, aunque se está progresando mucho en la reducción de estos impactos ambientales. Al estar basada su tecnología en gran parte en varias otras tecnologías convencionales, los fabricantes se encuentran poco concentrados, aunque hay que admitir una ventaja estadounidense en América y danesa en Europa. Existe pues la oportunidad de crear una industria nueva, con un mercado potencial amplio y con la ausencia de dominadores bien establecidos. Actualmente existen unos 20 fabricantes, que ofrecen aerogeneradores con garantía de curva de potencia y de disponibilidad, actualmente superior al 98%, en contraste con las primeras generaciones que apenas superaban el 80%. En consecuencia, La energía eléctrica de origen eólico no solo es producida de una manera no contaminante y sostenible a largo plazo, sino que ha demostrado no ser más costosa que las tecnologías convencionales, especialmente si se les imputa los costos externos. La producción eléctrica mayoritaria se realiza en parques eólicos, con un tamaño típico de 10 Mw. La figura 1.3 muestra una vista parcial de uno de ellos. Su vida es típicamente de 25 años, período por el cual se puede arrendar el terreno sobre el que se instala. Al término de ella es posible desmantelar la instalación y el valor residual del material puede cubrir los costos asociados, pudiendo quedar el terreno libre de degradaciones y con su aspecto original. El impacto ambiental predominante es el visual y éste es sufrido exclusivamente por la generación que disfruta de la energía producida, no por generaciones futuras

6 Figura Vista parcial de un parque eólico contemporáneo. Muestra aerogeneradores de eje horizontal situados en la cara de barlovento de una colina. El tercer aerogenerador, empezando por la derecha muestra claramente el sistema de control de potencia por medio de cambio de paso situado únicamente en punta de pala. Haciendo uso de herramientas rudimentarias y materiales disponibles localmente (madera, piedras, hierro conformado en herrerías, etc.) es posible construir pequeños motores eólicos capaces de suministrar energía mecánica o bombear agua en pequeñas comunidades. Esto hace de esta energía un instrumento apropiado para el desarrollo en países del tercer mundo Evolución histórica La energía eólica encontró su aplicación masiva más evidente, en el panorama energético de la civilización humana, con el uso de la vela para la propulsión de embarcaciones, lo cual fue de uso casi exclusivo hasta hace un siglo y aún sigue utilizándose. No incidiremos más en la propulsión naval. Los motores hidráulicos, protagonistas de la generación de trabajo por medio de máquinas hasta la revolución industrial, fueron favorecidos frente a las máquinas eólicas por la mayor continuidad de las corrientes fluviales frente a las eólicas, las cuales están generalmente caracterizadas por cambios irregulares de intensidad y dirección. Por otra parte, las corrientes fluviales son fácilmente - 4 -

7 encauzables, lo que permitió un mejor control de la potencia y una protección mas efectiva frente a crecidas con la tecnología de entonces. Salvo aplicaciones menores, los persas fueron probablemente los primeros en aplicar la energía eólica a la agricultura de forma masiva, usando motores de eje vertical para elevar agua de irrigación (siglo VII) y moler grano. Estos aparatos solían construirse aproximadamente de un mismo tamaño, usándose un mayor número de ellos si se requería más potencia, en lugar de ser construidos de mayor tamaño; probablemente debido a una optimización en base a los materiales y las rudimentarias técnicas de fabricación disponibles, o bien por su mayor durabilidad frente a la meteorología. La figura 1.4 muestra uno de estos ingenios, el cual usa una pantalla estacionaria de mampostería para reducir la fuerza del viento sobre las palas que avanzan a barlovento, y obtener así un par neto sobre el eje, al estar expuestas al viento las palas que avanzan a sotavento. Desgraciadamente esta solución anula la capacidad de esta máquina de eje vertical de funcionar con cualquier dirección del viento. Esto en las zonas de Persia en que se usaron no era un gran problema por ser los vientos de dirección dominante. El control de la potencia se realizaba incluyendo postigos en las aspas giratorias o en la obra de mampostería. En China se emplearon con anterioridad máquinas similares (denominadas Panémonas), suponiendo algunos que fueron sus precursoras. Otros piensan que se inspiraron directamente en las velas de los barcos. Se piensa también que estas máquinas fueron inspiradas por el molino hidráulico de eje vertical, anterior en el tiempo [2]. Aproximadamente en el siglo XIII estas máquinas ya se usaban para moler grano, tarea para la que han sido utilizados hasta hace bien poco, de ahí el término común de molino de viento. Este tipo de molino se conoce como tipo oriental, por dominar en esta región. Figura Esquema de una máquina eólica persa de bombeo de agua para riego. El molino occidental, en contraste, es de eje horizontal y se han encontrado referencias a él ya en el siglo XII. Su origen no está muy claro, aunque podría haber sido una evolución del molino persa, eventualmente traído a Occidente por los cruzados. Penetra en Occidente por Italia, España, Italia y - 5 -

8 Grecia. Por ser de eje horizontal requiere de un mecanismo de orientación para encarar el rotor o turbina al viento, lo cual complica su construcción (la turbina es de tipo axial). A cambio se obtiene una mayor potencia que con los de eje vertical antes descritos, al actuar de forma continua la presión de la corriente sobre las aspas, las cuales solían tener forma de cruz de 4 a 8 brazos. El tipo más antiguo consiste en un fuerte poste sobre el que puede girar todo el conjunto del molino, tal como muestra la figura Figura Molino de viento de poste (grabado de la época). Hacia el siglo XIV se desarrolló el molino de torre, mostrando la figura un ejemplo moderno. En éstos solo gira la parte superior del molino, que incluye el rotor, mientras que la parte inferior es una torre de ladrillo o piedra solidaria al suelo. Esta configuración permitía una mayor solidez y duración, así como menos necesidad de la preciada madera, aunque muchos se hicieron de ella. En este tipo de molino las aspas estaban siempre del lado de barlovento, realizándose en las primeras épocas la orientación de forma manual y posteriormente con mecanismos automáticos. El mecanismo más efectivo usado ha sido el molino de cola, el cual consiste en un eje horizontal dotado de aspas de pequeño tamaño y orientado perpendicularmente a las aspas principales. Si el rotor de potencia estaba encarado al viento el rotor de direccionamiento permanece estacionario al recibir el viento de lado. Un cambio en la dirección del viento hace que gire, al transmitirse este giro por medio de engranajes al eje vertical de orientación, lograba su correcto encaramiento, instante en el cual deja de girar. Una evolución de este mecanismo se emplea hoy en día

9 Figura Muestra de un molino tradicional europeo de eje horizontal en Dinamarca. El molino occidental se ha usado no solo para moler sino para bombear agua, mover serrerías, extraer mineral y para otras aplicaciones en las que se requiriera potencia concentrada, como en las herrerías. Su uso fue contestado a menudo por el miedo al desempleo, ya desde la época del imperio romano. Su potencia máxima podría cifrarse en unos 7 a 15 kw, comparable a la de la turbina hidráulica de la misma época. Ambas máquinas configuraron los inicios de la revolución industrial en concentraciones de artesanos en torno a los ríos y otras regiones favorables, como las minas, habida cuenta de la imposibilidad de la transmisión de la potencia mecánica a larga distancia. La máquina de vapor solo se generalizó bien entrada la revolución industrial. La potencia en los molinos occidentales se controla, bien por la cantidad de aspa recubierta de tela, bien con el uso de postigos de madera en las mismas. A partir del siglo XIX se incluyen mecanismos de regulación de potencia. Las primeras referencias de molinos de viento en la península ibérica datan del medioevo, originalmente en las zonas cristianas, para posteriormente incrementar su presencia en el califato de Córdoba. De los siglos XVI a XIX queda gran cantidad de restos: molinos manchegos en Campo de Criptana, andaluces en Huelva y Cádiz, molinos cartageneros y mallorquines. Ya en el siglo XVII se realizaron mejoras tecnológicas que empiezan a configurar los molinos modernos, ver como ejemplo la figura

10 Figura Ejemplo de molino balear. En el siglo XVIII se refinan los mecanismos del interior del molino, siendo ya común la existencia de rodamientos en los ejes de los molinos más avanzados. Las aspas pasan de ser un enrejado plano de madera recubierto de una simple lona, con un larguero central, a ser un ala rudimentaria de iguales materiales. Disponen el larguero más próximo al borde de ataque del aspa para mejorar la corriente alrededor del él y con torsión (de eje el propio larguero). Ambas mejoras son con el objeto de incrementar el rendimiento aerodinámico. A finales de este siglo se podía encontrar molinos de viento por toda Europa, formando parte fundamental del entramado social y económico, así como en América del Norte y del Sur, llevados por los emigrantes europeos. No se conservan muchos molinos de esta época por estar construidos en parte de madera. Su uso resultó especialmente útil en las llanuras, particularmente en las del área mediterránea y en islas, por carecerse en estas zonas de corrientes fluviales, o bien por ser éstas lentas y por lo tanto poco apropiadas al empleo de las turbinas hidráulicas de bajo rendimiento de la época. La aparición de los motores térmicos, primero la máquina de vapor y luego el motor de combustión interna, desplazó casi completamente a las máquinas eólicas durante la revolución industrial del siglo XIX, quedando su uso restringido a regiones rurales, especialmente las remotas y pobres, para la molienda del grano y para el bombeo de agua principalmente. Es de destacar en este siglo el desarrollo de la turbina eólica multipala americana, que se difundiría rápidamente por todo Estados Unidos. La figura muestra una de estas máquinas. Consiste en un rotor multipala de unos 3m de diámetro, conectado a un mecanismo de biela - manivela. Éste mueve un eje vertical con movimiento alternativo que llega hasta una bomba de émbolo situada en la base de la torre, - 8 -

11 diseñada para acumular agua en un depósito. Su figura forma parte inseparable del rancho o granja norteamericanos. Es la máquina eólica más difundida de cuantas hayan existido, habiéndose fabricado unos 6 millones, de las cuales unas deben de seguir en funcionamiento. Se exportaron a todo el mundo. En España es de destacar su presencia masiva en la isla de Fuerteventura. Su orientación al viento se realiza generalmente por medio de una veleta, la cual se puede plegar sobre el rotor manualmente para desactivar su funcionamiento, o bien se realiza automáticamente al sobrepasarse un valor de la velocidad de viento. Este ingenio marca la sustitución paulatina y finalmente completa de la madera por el hierro, comenzando a fabricarse sus álabes de este material a partir de Esta aeroturbina marca asimismo la sustitución de la fabricación unitaria por la fabricación en serie. Figura Bomba hidráulica eólica americana de rotor multipala. Por la misma época, en 1892, en Dinamarca, país de importantes recursos eólicos, el profesor Latour diseño el primer aerogenerador eléctrico bajo los auspicios de un programa estatal, marcando el comienzo del desarrollo de la moderna tecnología eólica, ligado a la rotura de la ligadura de las turbinas eólicas con el bombeo de agua y la molienda. Se llegaron a instalar unos 120 aerogeneradores, con una potencia eléctrica máxima unitaria de unos 25 kw, antes de la primera guerra mundial. El factor decisivo para el desarrollo posterior ha sido la tecnología aeronáutica, que ha permitido sustituir las aspas lentas y de bajo rendimiento, con una cierta similitud a velas de barco, por aspas de diseño aerodinámico mas parecidas a hélices de avión. El comienzo del siglo XX vio la aparición de la teoría de perfiles aerodinámicos, realizada por Kutta y formalizada matemáticamente por Joukowsky, la teoría de la capa límite, enunciada por Pradtl y muchas otras aportaciones científicas y técnicas, fundamentadas en la Mecánica de Fluidos. Betz demostró que la máxima fracción de energía extraíble de una corriente uniforme abierta es el 60%, conocido como límite de Betz. Posteriormente Glauert demostró que puede obtenerse mayor rendimiento cuanto mayor es el coeficiente de velocidad λ, cociente entre la velocidad de punta de pala y la velocidad incidente del viento. En 1927 Dekkler construyó el primer rotor provisto de palas de sección aerodinámica (redondeado en su borde de ataque (barlovento) y afilado en su borde de salida (sotavento)), permitiendo velocidades de punta de pala de 4 a 5 veces la velocidad del viento incidente, frente al valor - 9 -

12 tradicional de 2 a 3 veces. La teoría había ya demostrado que al aumentar esta relación de velocidades, menor era la influencia del número de palas sobre el rendimiento, por lo que empezaron a aparecer aeroturbinas de dos y de tres palas, lo cual abarata su construcción. Hoy en día se experimenta con aeroturbinas de una sola pala. De forma similar a las hélices, con el objeto de optimizar el ángulo de incidencia de la corriente a las palas, se implementó en las turbinas eólicas de eje horizontal el paso variable. Consiste en hacer giratoria la pala alrededor de un eje que corta el eje de la aeroturbina y que coincide sensiblemente con el eje longitudinal de la pala. El paso variable permite, además de una optimización de las prestaciones frente a vientos de velocidad distinta, poner las palas en bandera con vientos excesivamente fuertes, anulando su giro, con objeto de evitar el deterioro de la aeroturbina, aparte de otras ventajas. Como consecuencia de la aplicación de la Ingeniería Aeronáutica, a partir de la década de los veinte, comenzó una serie de desarrollos que confirmaron definitivamente las aeroturbinas de alto rendimiento y alta velocidad como el diseño más efectivo para la producción de energía eléctrica. Pero hicieron aparecer toda una serie de nuevos problemas, como las vibraciones estructurales, las vibraciones de las palas acopladas con la corriente de aire (aeroelasticidad), los problemas de corrosión, de duración, etc., sobre los cuales se dispone hoy en día de una sólida experiencia. Sobre esta base se fueron decantando más claramente las distintas familias de aeroturbinas: Aerobombas, en gran número y generalmente de tipo multipala, con regímenes de giro entre 5 y 15 r.p.m. Son capaces de dar un elevado par de arranque, óptimo para mover bombas alternativas. Aerogeneradores de muy pequeño tamaño para la recarga de baterías, de menos de 20 kw. Fueron muy populares en los Estados Unidos para suministrar energía eléctrica a asentamientos de colonos y granjas, antes de la electrificación general del país. Típicamente suministraban unos 5 kw. Resultan apropiados para alimentar balizas luminosas o radioeléctricas u otras instalaciones remotas, especialmente para potencias no muy pequeñas, por la competencia de las células fotovoltaicas, y para complementarlas durante la noche. Aerogeneradores de pequeño (20 kw a 100 kw), medio (100 kw a 500 kw) y gran tamaño (> 500 kw): 1.1. Para alimentación de una red eléctrica, generalmente agrupadas en parques eólicos Para suplir otro tipo de generadores, como los Diesel, en un sistema aislado de la red y por lo tanto autónomo. A su vez puede incluir baterías para almacenar energía sobrante de días ventosos o carecer de ellas. El régimen de giro de estos aerogeneradores viene dado por su tamaño, pues típicamente operan con velocidades de punta de pala entre 5 y 10 veces la velocidad del viento. Así las aeroturbinas grandes giran a unas r.p.m., mientras que las mas pequeñas pueden superar las r.p.m. En 1924 Savonius desarrolla una aeroturbina de eje vertical muy sencilla, con elevado par de arranque, por lo tanto adecuada para bombeo de agua, consistente en dos semicilindros huecos, decalados y dispuestos según un eje vertical, como indica la figura Se puede construir con técnicas y materiales sencillos y baratos, pero adolece del problema de no poderse proteger de los huracanes

13 Figura Figura Ejemplo de aeroturbina de eje vertical tipo Savonius. En 1927 desarrolla Darrieus la turbina de eje vertical que lleva su nombre, siendo actualmente competitiva. La figura muestra una vista de una aeroturbina de este tipo. Consiste en aspas verticales con perfil aerodinámico

14 Figura Aeroturbina de eje vertical tipo Darrieus. Hasta la segunda guerra mundial se realiza la construcción de aerogeneradores cada vez mayores, pero de resultado aún no del todo satisfactorio, resultado lógico de la inexperiencia y de lo somero de los estudios de desarrollo realizados. Tras la guerra, el bajo precio del petróleo ralentizó notablemente la expansión de la energía eólica, hasta la crisis del petróleo de Cabe destacar, sin embargo, la iniciativa realizada por el gobierno danés, que tras realizar una evaluación detallada de los recursos del país, instala en 1957 un generador de 240 kw en Gedser, que sirvió de base para el desarrollo pionero de modernas turbinas eólicas, lo que ha convertido a este país en un líder mundial. Tras la crisis del petróleo, los países más desarrollados comienzan programas de investigación y desarrollo en energía eólica y fruto de ellos es la actual tecnología. Cabe destacar los resultados

15 logrados en los Estados Unidos, como el aerogenerador MOD-0 de 100 kw en 1975 y el MOD-5B de 3,2 MW en 1987, construido por Boeing e instalado en Hawai. En España la situación actual comienza en 1978 con el programa de desarrollo de una aeroturbina de 100 kw financiado por el entonces Ministerio de Industria, Comercio y Turismo (MICT), que finalmente se instala en Tarifa (Cádiz). Los trabajos financiados por el mismo Ministerio a través del Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial (CDTI), realizados entre 1981 y 1986, logran la creación de un embrión de industria nacional, basada en ese momento en aeroturbinas de pequeño y medio tamaño. En este período se realizaron actuaciones legislativas que se concretaron en la Ley 82/80 de 30 de diciembre, sobre Conservación de la Energía, de amplia repercusión. El Plan de Energías Renovables de 1986 (PER-86) marcó directrices que favorecieron la instalación de los primeros parques eólicos, de unos 300 kw, creados por colaboración entre el Instituto para la Diversificación y Ahorro Energético (IDAE-MICT), Comunidades Autónomas, compañías eléctricas y empresas privadas. En 1988 se inició el segundo Plan de Energía Renovables (PER- 89), el cual consideraba las indudables ventajas de estas energías desde el punto de vista de política energética, autonomía de recursos y aspectos medioambientales. El PER-89 estableció criterios de competitividad en los que se atendía más a los aspectos productivos, precio y calidad, que a las subvenciones directas para el desarrollo tecnológico. En esta época se instaló un aerogenerador de kw (AWEC-60), resultado de la colaboración hispano alemana, en cabo Villano (La Coruña) y el parque eólico de Monteahumada (Cádiz), ejemplo de integración de máquinas de distinto tipo. El progreso de la tecnología nacional, fruto de las medidas de apoyo de los sucesivos Planes de Energías Renovables, permitieron tener en 1990 cuatro parques operativos de un total de ocho, mientras la industria nacional lograba máquinas competitivas que superaban los 100 kw, constituyentes o precursoras de los actuales parques eólicos. El nivel tecnológico logrado tras esta época, junto con la producción eléctrica, situaron en 1990 a nuestro país en el cuarto lugar en Europa, la cual totalizó un 25% de la potencia total mundial, siendo el resto prácticamente en los EE.UU. Los parques actuales están siendo realizados en base a máquinas de tecnología nacional, de las empresas ENDESA y ECOTÉCNIA, con tecnología transferida de empresas extranjeras U. S. Wind Power y VESTAS a las empresas nacionales AWP y ACSA respectivamente. Tras estos años de maduración y contando con la experiencia recientemente adquirida en nuestro país con la instalación y explotación de grandes parques nos encontramos ante la posibilidad de un mercado industrial caracterizado por la rentabilidad económica Tecnología actual y proyección hacia el futuro. Los positivos resultados obtenidos por la tecnología eólica en las últimas décadas ha dado lugar a un rápido desarrollo en los últimos años. Como exponente de ello cabe citar que actualmente existe mas de una veintena de fabricantes en el mundo, con plenas garantías de curva de potencia y disponibilidad (tanto por ciento del tiempo útil que el aerogenerador está operativo), la cual puede llegar al 95% frente al 80% o 90% logrado por las centrales eléctricas convencionales. Los 10 fabricantes más importantes son:

16 1 NEG MIKON AG (Dinamarca) 6 BONUS A/S (Dinamarca) 2 ENRON Wind Corp. (EEUU) 7 NORDEX (Dinamarca) 3 VESTAS A/S (Dinamarca) 8 MADE (España) 4 ENERCON (Alemania) 9 ECOTECNIA (España) 5 GAMESA (España) 10 MITSUBISHI (Japón) Como consecuencia de la maduración de la tecnología el precio de adquisición ha bajado hasta llegar a valores en torno a 800 ¼N: SDUD XQ PDUJHQ GH SRWHQFLDV Pi[LPDV GH DN:/RV costes de explotación se han reducido correspondientemente, situándose actualmente en el intervalo de 0,035 a 0,09 ¼N:K SDUD ]RQDV GH SRWHQFLDO HyOLFR DFHSWDEOH FRQ XQ YDORU WtSLFR GH 0,04 0,05 ¼N:K IUHQWH D ODV ¼N:K GH OD HQHUJtD FRQYHQFLRQDO /D IUDFFLyQ GH OD HQHUJtD cinética del viento convertida en energía eléctrica es como máximo del 40% al 45%, a lo que se denomina rendimiento o coeficiente de potencia. Estos logros han sido en parte consecuencia de una maduración tecnológica que ha originado una base estable de la cual aún cabe esperar mejoras. A continuación se indican características básicas que definen con un mayor detalle la tecnología actual, aunque este resumen ha de ser incompleto necesariamente, dada la amplia gama de tamaños disponibles y de aplicaciones. Nos centraremos en los aerogeneradores de que actualmente equipan los parques eólicos. Disposición general Los aerogeneradores actuales de eje horizontal están constituidos por una cimentación de hormigón armado adecuada al terreno y a las cargas del viento, sobre la cual se levanta una torre, típicamente de acero, de estructura de celosía, o bien de tipo tubular de acero o hormigón armado para mejorar su aspecto. Elevan el aerogenerador bastante, con el objeto de evitar las bajas velocidades de viento junto a la superficie del terreno. N valor típico de la altura es H = 0,75D+10m. Al extremo de la torre se fija una góndola giratoria de acero o fibra de vidrio, ver la figura 1.2.1, a la cual se accede por el interior de la torre, o por el exterior si se trata de un modelo pequeño. Ésta encierra: El tren de potencia (eje del rotor (lento), caja multiplicadora (de engranajes planetarios o normal), de régimen de salida hasta unas a 1500 r.p.m. y de elevado rendimiento, típicamente un 90% a 95%, eje rápido y acoplamientos flexibles). La maquinaria eléctrica (generador eléctrico, con un rendimiento del orden del 90%, controles, accionamientos y máquinas auxiliares). Mecanismos auxiliares, generalmente hidráulicos (freno de emergencia del rotor, freno de orientación de la góndola, mecanismo de cambio de paso, aerofrenos, sistema de orientación). Sistema de control basado en un microprocesador y encargado de la supervisión de las variables operativas, registro de incidencias y control del funcionamiento (arranque, parada,

17 enganche a la red, protección de embalamiento, orientación, paso de las palas). Suele incluir un módulo de comunicación con una base de control central. En el exterior encontramos: El buje, que une las palas del rotor y que puede incorporar sus articulaciones, como cambio de paso, conicidad, etc.. Las palas, cuyo eje de giro suele estar inclinado algunos grados sobre la horizontal, al objeto de alejar las palas de la torre El mecanismo aerodinámico de orientación. Suele ser de veleta de cola o molino de cola para pequeños tamaños. Para tamaños medios y grandes se usa orientación asistida detectando la dirección del viento por medio de un sensor de dirección y orientando la góndola con un motor eléctrico o hidráulico engranado a una corona horizontal. Estación meteorológica, con medida de la velocidad y dirección del viento, temperatura y presión atmosférica. 1. Bancada 2. Eje de baja velocidad 3. Mecanismo de cambio de paso 4. Pala 5. Buje 6. Caja multiplicadora 7. Fijación del basculamiento 8. Freno de disco 9. Generador 10. Eje de alta velocidad 11. Fusible de par 12. Unidad hidráulica 13. Motor de orientación 14. Corona de orientación 15. Sensor de orientación 16. Unidad de control en góndola Figura Disposición típica dentro de la góndola de un aerogenerador de eje horizontal de tamaño medio con sistemas modulares [23]. Tamaño Los aerogeneradores de pequeña potencia (< 100 kw) y de media potencia (< 700 kw) ofrecen un alto grado de madurez tecnológica, mientras que los cercanos a 700 kw y superiores son de

18 primera generación. Sin embargo, cabe esperar que su puesta a punto sea corta por la experiencia adquirida con los de menor tamaño. Actualmente se trabaja intensamente en prototipos con potencias máximas en torno a 4,5 MW, con el objeto de determinar la tecnología más adecuada y los costos reales de instalación y producción. Esto es debido a que los explotadores han demandado unidades de mayor tamaño, que permitan un mayor aprovechamiento del terreno, una potencia por unidad de superficie barrida por el rotor mayor (debido a que la velocidad del viento aumenta con la altura) y un menor número de unidades que atender para igual potencia instalada. Sin embargo, la mera extrapolación de la tecnología de las aeroturbinas de media potencia no parece adecuada. El peso y por lo tanto el costo aumenta aproximadamente con el cubo del diámetro del rotor y la potencia con el cuadrado (área barrida) o algo más, pero no tanto como el cubo, debido al pequeño efecto de la mayor velocidad del viento con la altura. Esto parece indicar que un mero aumento de la escala es negativo. El uso de dos palas en lugar de tres reduce el costo y el peso sobre el buje y el tren de potencia, pero las mayores asimetrías de cargas por el giro del rotor que aparecen, crean problemas de fatiga y vibraciones, que intentan aliviarse con el uso de bujes basculantes. Otros recursos para permitir una competitividad a las aeroturbinas de gran tamaño son: Empleo de tren de potencia de diseño integrado, en lugar a recurrir a un montaje modular. Empleo de perfiles aerodinámicos de mayor espesor pero de similares características aerodinámicas específicamente diseñados para aeroturbinas, lo cual permite aumentar el módulo a flexión y torsión de la pala y con ello permitir que sea más ligera. Empleo de sistemas de control más avanzados que reduzcan las sobrecargas. Esta situación mantiene un intenso debate técnico sobre si la solución a un aumento de la potencia instalada ha de realizarse sobre la base de los abaratamientos al fabricar en masa unidades de media potencia, o basándose en las hipotéticas ventajas de unidades grandes de nuevo desarrollo. Las aeroturbinas de gran tamaño parecen adecuadas para enclaves de fácil acceso, p. e. llanuras y el mar. En nuestro país abundan los enclaves de compleja orografía, lo cual afecta a la accesibilidad y supone un viento turbulento, por lo que no parece que se difundan las grandes aeroturbinas tan fácilmente. Rotor La mayoría actualmente son de rotor horizontal, si bien los de tipo Darrieus se siguen fabricando y explorando como candidatos para un futuro. Existe una marcada tendencia a los rotores tripala por su mayor suavidad de giro, si bien al aumentar el tamaño se detecta una mayor proporción de rotores bipala, por la reducción de coste y peso que representa. Los materiales empleados van desde la tradicional madera, por su buen comportamiento a la fatiga, al metal, como el acero o el aluminio. Sin embargo, el material mas utilizado es la fibra de vidrio con resinas sintéticas (poliéster), si bien se explora continuamente el empleo de fibras de carbono y Kevlar con epoxi, en previsión de una futura reducción de su costo. El rotor puede ser una pieza rígida o poseer articulaciones. La más frecuente es la de cambio de paso, si bien se ha usado la articulación que permite conicidad al rotor, aunque no es frecuente. Además, es posible encontrar partes de las aspas que pueden deflectarse, con el objeto de actuar

19 de modificadores de la aerodinámica, como pueden ser flaps o frenos aerodinámicos. Se ha estudiado el dotar de cierta flexibilidad a las aspas al objeto de que actúe de reductora de vibraciones por amortiguamiento aerodinámico. En la mayoría de los casos el rotor está situado a barlovento de la torre, con el objeto de reducir las cargas cíclicas sobre las aspas que aparecen si se situara a sotavento de ella, pues al pasar una pala por la estela de la torre, la velocidad incidente está muy alterada. Debido a este fenómeno, las torres de aeroturbinas con rotores a sotavento son de celosía, por su mayor transparencia al viento. Sistema de control La aeroturbina comienza a dar potencia a partir de una velocidad del viento que permite vencer sus pérdidas de potencia internas a la velocidad de giro mínima requerida para la generación eléctrica. A partir de ese momento resulta interesante controlar el paso de las palas, si éstas disponen de mecanismo de variación de paso, con el objeto de orientar óptimamente las palas al viento. Otra posibilidad adicional o sustitutoria es que sea posible ir aumentando la velocidad de giro del rotor a medida que aumenta la velocidad del viento, lo cual permite asimismo mejorar el rendimiento de extracción, pero dificulta el uso de la maquinaria eléctrica. Es necesario evitar sobrecargar el tren de potencia de la aeroturbina, fundamentalmente por par motor. Es necesario también evitar una velocidad de giro excesiva que ocasione sobreesfuerzos centrífugos. Finalmente han de respetarse los límites de funcionamiento del generador, generalmente régimen de giro e intensidad. En consecuencia, debido a la inconstancia del viento es necesario disponer de métodos pasivos o activos de control del aerogenerador. El sistema de control más necesario es el de protección frente al exceso de viento. Fundamentalmente existen dos tipos: Control por cambio de paso. Control por pérdida aerodinámica. El control por cambio de paso se encuentra frecuentemente en los aerogeneradores de mayor tamaño, pues al resultar caro y complejo se puede justificar al permitir ganancias apreciables de potencia. Frente a vientos intensos ofrece protección efectiva al permitir colocar las palas en bandera (en dirección al viento). Con el objeto de reducir los inconvenientes del sistema de cambio de paso en toda la pala se explora actualmente realizarlo solamente en punta de pala, incluso con mecanismos autónomos y se emplea en algunas aeroturbinas, ver figura 1.3. Las menores cargas que origina el control de cambio de paso, permite reducir el peso de la caja de engranajes. El control por pérdida aerodinámica consiste en usar un fenómeno natural de los perfiles aerodinámicos, que consiste en una brusca disminución de la sustentación (fuerza que hace girar las palas) y asociada a ello un también brusco aumento de la resistencia (fuerza que se opone al giro de las palas). Esto ocurre cuando el ángulo de ataque de la corriente incidente al perfil sobrepasa un cierto valor, siendo debido al desprendimiento de la corriente de la superficie del perfil. Así, si un rotor gira a velocidad constante, lo cual es muy frecuente, como es el caso de disponer de generador de inducción, al aumentar la velocidad del viento aumenta el ángulo de ataque, con lo que a partir de una cierta velocidad aparece la pérdida aerodinámica, limitándose de forma natural el par que aparece en el eje. Debido a que puede resultar insuficiente, se añaden frenos aerodinámicos, consistentes en desprendedores de la corriente retráctiles

20 La entrada en pérdida ocasiona vibraciones que hace que el conjunto móvil haya de ser reforzado. Sistema eléctrico Los aerogeneradores de muy pequeño tamaño, decenas de watios, usan generadores de corriente continua, dínamos. Su limitado rango de funcionamiento hace que a partir de 100 W se usen alternadores de imanes permanentes, hasta los 5 kw. Por no necesitar excitación externa se usan en aplicaciones aisladas de la red, en cuyo caso suelen incorporar un grupo rectificador para permitir la acumulación de energía en baterías. Este tipo de aplicaciones permite régimen de giro variable. La tendencia general es el uso de generadores de inducción con rotor en jaula de ardilla, por su sencillez, ausencia de contacto giratorio, robustez, bajo coste, bajo mantenimiento y sencillez de enganche a la red, con velocidades diferentes a la de sincronismo. Las bobinas del estátor requieren alimentación y consumen potencia reactiva. Cuando están conectados a la red, el régimen de giro es próximo al de sincronismo por lo que las turbinas operan a régimen casi constante. Requieren una protección que evite que funcionen como motores al bajar la velocidad del viento. Los generadores síncronos se usan minoritariamente. Requieren efectuar maniobras complicadas para lograr en sincronismo con la red. Debido a las ventajas de rendimiento y de reducción de ruido de la velocidad de giro variable (por girar más espacio con vientos flojos), se exploran alternativas. Otra posibilidad en desarrollo es el uso de generadores multipolares, que permiten la eliminación de la caja multiplicadora, necesaria por la insuficiente velocidad de giro de las palas cuando el tamaño excede un cierto valor que es bastante pequeño. Sistema de almacenamiento Con el objeto de disponer del beneficio buscado en los períodos de viento flojo o de calma, se dispone de sistemas de almacenamiento de diverso tipo, inútil en sistemas de generación eléctrica conectados a la red. Acumulación térmica: la energía extraída del viento se usa para calentar agua, directamente por medio de un freno hidráulico o por calentamiento de resistencias eléctricas tras la conversión a electricidad. El agua se almacena y el aprovechamiento energético posterior sería solo adecuado si se requiere en forma calorífica. Un aerogenerador podría almacenar energía moviendo un compresor de aire que es enviado a un depósito presurizado, preferiblemente aislado térmicamente, utilizándose posteriormente la energía expansionando el aire a través de una turbina o expansor volumétrico con una eventual combustión previa. Este último sistema proporciona elevados rendimientos, cifrables en un 60% al 80%. Sin embargo, sin combustión, el rendimiento máximo teórico es el 50% si se deja enfriar el aire comprimido. Bombeo de agua: Durante períodos con exceso de producción de energía se puede usar la energía eléctrica para bombear agua hasta un depósito elevado. Durante períodos de viento insuficiente la carga podría alimentarse con una minicentral hidráulica cuyo generador síncrono se conectaría en paralelo con el aerogenerador a través de un sistema de protección y control adecuado. Este método proporciona una eficiencia de energía eléctrica recuperada a energía

21 eléctrica enviada al almacenamiento del 50% al 80%. Requiere inversiones iniciales elevadas. Es la solución encontrada para poder electrificar eólicamente al 100% la isla de El Hierro. Baterías: Es el sistema más utilizado actualmente y permite construir sistemas de muy pequeño tamaño, adecuados para balizas, repetidores de señal, estaciones de recogida de datos y puestos de socorro remotos. Su rendimiento es del 60% al 75%. Se emplean baterías especiales que permitan reducciones de su carga hasta el 60% sin daños. Su vida en estas condiciones es del orden de 5 a 7 años. No es adecuado para tamaños grandes por su elevado coste y dificultades de mantenimiento. Generación de hidrógeno y célula de combustible: La electricidad producida descompondría el agua, almacenándose el hidrógeno y eventualmente el oxígeno. Su uso posterior podría ser directo, como combustible, o bien para generar electricidad de corriente continua directamente con una célula de combustible. El rendimiento de recuperación gira en torno al 50%, pudiendo llegar al 70%. Se estima que es el sistema de almacenamiento del futuro para grandes instalaciones. LA célula de combustible puede ser usada con otros compuestos. Volante de inercia: Se almacena la energía en un volante capaz de girar a elevado régimen en un recinto al vacío, que impida la resistencia aerodinámica, probablemente haciendo uso de cojinetes magnéticos. Este sistema es capaz de absorber potencias instantáneas elevadas, resultando por ello conveniente a las fuertes fluctuaciones de la energía eólica. Logran un rendimiento de recuperación alto, del orden del 80%. Otra de sus ventajas es una vida operativa larga, del orden de 20 años. El intercambio de energía puede ser electromagnético o por medio de un tren de engranajes. Desalación de agua: En lugares donde coincida la demanda de agua potable con la disponibilidad de energía eólica y su impacto ecológico sea aceptable, es posible recurrir a emplear la energía sobrante en desalinizar agua, la cual es fácilmente almacenable y proporciona una utilidad completa. Curva de potencia Define la potencia eléctrica disponible como función de la velocidad del viento. Es nula hasta una velocidad mínima o de arranque v a y a partir de ella crece rápidamente (aproximadamente como el cubo de la velocidad) creciendo asimismo el régimen de giro del rotor. Al llegar el viento a una velocidad, v n, en torno a los 10 a 15 m/s comienzan a actuar los mecanismos de limitación y la potencia de salida y régimen del rotor se mantienen aproximadamente constantes. Esta potencia se denomina potencia nominal P n, y se mantiene hasta los 20 a 25 m/s. A partir de aquí, v pa, la potencia de salida cae rápidamente o se anula el funcionamiento, pues comienzan a actuar los mecanismos de protección, frenando el rotor para evitar riesgos. La velocidad de viento de supervivencia puede ser en torno a los 50 a 60 m/s. La figura muestra las curvas de potencia de una misma turbina de eje horizontal dotada de regulación por cambio de paso y por pérdida aerodinámica

22 P (kw) Potencia nominal P n Paso fijo y pérdida aerodinámica Paso variable Carga parcial Plena carga v a v n v pa v (m/s) Velocidad Velocidad Velocidad de arranque nominal de parada Figura Curvas de potencia de una misma turbina, con regulación por cambio de paso y con regulación por pérdida aerodinámica. Configuración de un parque eólico Un parque eólico típico hace uso de aerogeneradores de media potencia, con torres tubulares de 30 m a 40 m de altura, y rotores de unos 20 m a 30 m de diámetro. Se separan unos 100 m a 200 m para reducir la interferencia entre las estelas turbulentas creadas por las turbinas y para permitir que el mezclado turbulento del aire rellene el defecto de cantidad de movimiento en ellas. El terreno ocupado por las cimentaciones, las vías de acceso y el sistema eléctrico son del 1%, por lo que el restante 99% puede ser dedicado a la agricultura normal. Esto supone una ocupación por kw producido del orden de 1/3 de una central térmica de carbón. La configuración precisa depende del tipo de terreno (llano, ondulado o accidentado) sobre el que se asiente el parque y de la variabilidad del viento. Los terrenos llanos permiten disposiciones armoniosas y muy extensas, lo que contribuye a la estética del conjunto. Los terrenos accidentados, frecuentes en nuestro país, permiten la instalación muy concentrada de aerogeneradores, dificultando el diseño de las instalaciones, la construcción de las mismas y en general dan como resultado una estética menos aceptable. En este tipo de parques se llega a juntar las torres dos o tres diámetros de rotor si la dirección del viento es dominante. Para vientos variables de dirección es necesaria una separación mayor que evite interferencias aerodinámicas mutuas. Las instalaciones situadas sobre el mar tienen un gran interés por la gran extensión disponible y por la calidad del viento, sin embargo, aún son muy costosas y quedan muchas incógnitas técnicas por despejar. Disponibilidad de la energía No siempre hay viento, por lo tanto no se puede lograr disponer continuamente de energía eólica. Así, en una buena colina, con una velocidad media del viento de 8 m/s se dispone típicamente de energía 2 días de cada tres. Si el consumo es menor que el suministro se puede recurrir al almacenamiento. Aún así, la solución del almacenamiento resulta cara y compleja, sólo justificable en lugares remotos o bajo circunstancias muy especiales

23 La solución más adecuada supone inyectar la totalidad de la energía a la red integrada o inyectar la sobrante si hay consumo propio. El estar conectado a la red permite así un mejor aprovechamiento, una rentabilización de los costos y una seguridad en el suministro. La intermitencia de la energía eólica inyectando en una red es acomodada variando la carga en las centrales térmicas e hidráulicas para igualar la producción al consumo. La variación de esta carga puede llegar a ser del 50% si la energía eólica contribuyese hasta un 20% al 30% del total, lo cual es un límite razonable por esta consideración. En sistemas aislados se recurre a configuraciones de generación híbridas a partir de unos 100 kw, por resultar a partir de esta potencia excesivamente caro el sistema de acumulación por baterías. En los sistemas híbridos se recurre generalmente a la combinación eólica - Diesel por la fiabilidad, robustez y facilidad de mantenimiento de los grupos generadores basados en un motor alternativo Diesel. El objetivo en estos sistemas es reducir el tiempo de funcionamiento del Diesel al máximo, dentro de las limitaciones del consumo requerido, las variaciones del viento y las características operativas del conjunto. La experiencia demuestra que debido al elevado costo de uno de estos sistemas, tan solo se justifica su uso desde el punto de vista de la rentabilidad económica si la zona tiene velocidades de viento medias superiores a 6 m/s y si está situada lo suficientemente lejos de la red para que el costo de la conexión sea alto. La adición de un sistema de almacenamiento de baja capacidad, 5 a 10 minutos, beneficia a estos sistemas, por evitar arranques y paradas continuas del motor Diesel. Actualmente, la tecnología de los ultracondensadores promete posibilidades en este terreno. Distribución de costos de adquisición La figura muestra la contribución relativa del coste de adquisición en origen de un aerogenerador de media potencia. Es de destacar el costo del rotor, un 25%, aparte de que su peso condiciona el peso del resto de los componentes estructurales y por lo tanto su coste. Así, un rotor ligero reducirá el costo del resto de otros subsistemas, pero puede resultar en sí mismo mas caro por requerir su aligeramiento una mayor tecnología. Coste F. O. B. de aerogeneradores de media potencia Torre 20% 0% Montaje y otros 10% Buje 5% Palas 20% Góndola 10% Sistema eléctrico 10% Tren de potencia 15% Sistema de control 10% Figura Reparto de costes de adquisición de un aerogenerador completo

24 Consideraciones económicas Los aerogeneradores son bienes de equipo de elevado precio de adquisición, pero con unos costes de operación bajos. En consecuencia, los costes financieros tienen una repercusión elevada en la inversión de capital a realizar y por lo tanto en la rentabilidad. La figura muestra la sensibilidad del coste de la energía a los parámetros más relevantes. Destaca la sensibilidad al coste de la inversión, a la velocidad media del viento y a la disponibilidad. La reducción de coste en los desarrollos futuros ha de venir por las siguientes vías: Reducción de tensiones en los materiales. Puede venir por el uso de construcciones más ligeras y en el uso de sistemas de velocidad variable con control de par, lo que se traducirá en trenes de potencia más ligeros y por lo tanto más baratos. Uso de conceptos mecánicos más simples. Se ha de lograr una reducción del número de piezas, de la complejidad de montaje y ajustes y del mantenimiento. El uso de trenes de potencia integrados puede ofrecer ventajas sustanciales frente al uso de trenes de potencia modulares formados por subconjuntos comerciales. Uso de materiales más efectivos con relación a su coste. La elección idónea del diseño, método de fabricación y materiales adecuados es algo aún en estado de maduración Figura Sensibilidad del coste de la energía eólica a los parámetros mas influyentes. Panorama español Nuestro país se encuentra situado entre los más avanzados de Europa en el desarrollo de la energía eólica, tanto por la potencia instalada, como por disponer de fabricantes nacionales y por la actividad de I+D que se realiza, fundamentalmente en el organismo público CIEMAT y en algunas Universidades. Dos fabricantes con tecnología propia GAMESA y MADE dominan el mercado y disponen de máquinas hasta kw. Esta oferta está complementada por fabricantes bajo licencia y distribuidores, como ACSA, AWP, CENEMESA, etc. Se dispone de