Miguel Villarubia López - Ingeniería de la energía eólica

Las principales ventajas de la energía eólica son las siguientes:

No emite gases contaminantes, ni efluentes líquidos, ni residuos sólidos. Tampoco utiliza agua.

Reduce emisiones de CO2. En España, en 2009, la producción eólica fue de 36.188 GWh, lo que se tradujo en un ahorro de emisiones de 16,6 millones de toneladas de CO2, (considerando una emisión específica de CO2 asociada a la producción de electricidad de 460 toneladas de CO2 por GWh eléctrico).

No requiere minería de extracción subterránea o a cielo abierto.

Su uso y los posibles incidentes durante su explotación no implican riesgos ambientales de gran impacto (derrames, explosiones, incendios, etc.).

Ahorra combustibles, diversifica el suministro y reduce la dependencia energética.

Tiene un período de recuperación energética pequeño. Se requiere solo unos pocos meses de funcionamiento para recuperar la energía empleada en la construcción y montaje de un gran aerogenerador eólico.

Los principales problemas asociados a la energía eólica son:

El viento es aleatorio y variable, tanto en velocidad como en dirección, por lo que no todos los lugares son adecuados para la explotación técnica y económicamente viable de la energía eólica.

La producción eólica forma parte de un “mix” de generación, junto con otras fuentes de energía (hidráulica, térmica, nuclear...). Dada su variabilidad deben realizarse previsiones de producción a muy corto plazo (24 y 48 horas) para una adecuada gestión de la cadena de generación, transporte y distribución de electricidad. Su aleatoriedad y variabilidad requiere una mayor presencia de potencia rodante y una gestión específica para su integración en la red.

Su impacto ambiental es muy reducido y solo a escala muy local:

Aumento del nivel de ruido en sus proximidades.

Impacto visual o paisajístico.

Impacto sobre la fauna, en particular sobre las aves.

Ocupación del suelo: los aerogeneradores deben mantener una distancia entre sí que minimice los efectos de interferencia y de estela. Se recomienda una distancia entre torres de 3 a 5 veces el diámetro del rotor en la dirección perpendicular al viento dominante y de 5 a 10 veces en la dirección del viento dominante. Para parques con aerogeneradores entre 1 y 3 MW, la ocupación de terreno es de 3 a 6 ha/MW, aunque menos de un 5% queda afectado por la servidumbre de uso, pudiendo utilizarse el resto para fines agrícolas o agropecuarios.

Interferencias con transmisiones electromagnéticas: el rotor puede producir interferencias con campos electromagnéticos (televisión, radio, etc.).

1.2. Tipos de aerogeneradores eólicos

Su clasificación puede obedecer a distintos criterios:

a) Según la disposición del eje de giro:

Eje horizontal: la casi totalidad de las turbinas eólicas son de este tipo.

Eje vertical: las aplicaciones prácticas son muy escasas.

b) Según el número de palas:

Monopalas y bipalas: existe un número pequeño de estos tipos.

Tripala: la mayoría de turbinas dedicadas a la producción eléctrica.

Multipala: con un número variable de 16 a 24, utilizadas para bombeo de agua.

c) Según la velocidad del rotor de la turbina eólica:

Velocidad constante.

Velocidad variable.

Velocidad semivariable.

Dos velocidades.

d) Según su control y regulación:

Control por pérdida aerodinámica (stall control) o de palas de paso fijo.

Control por pérdida activa aerodinámica (active stall control).

Control por variación del ángulo del paso de pala (pitch control).

e) Según el generador eléctrico:

Generador asíncrono con rotor en jaula de ardilla.

Generador asíncrono con rotor bobinado doblemente alimentado.

Generador síncrono multipolo.

f) Según su emplazamiento:

Aerogeneradores para emplazamientos terrestres (Onshore).

Aerogeneradores para emplazamientos marinos (Offshore).

g) Según el tipo de viento:

Aerogeneradores para viento clase I, clase II o clase III.

h) Respecto a su interconexión con la red eléctrica:

Sistemas eólicos aislados (“en isla”), sin o con energía auxiliar (“híbridos”).

Sistemas eólicos interconectados con la red eléctrica.

i) Según su potencia nominal:

Microturbinas eólicas (< 5 kW).

Miniturbinas eólicas (5 – 100 kW).

Turbinas de media y gran potencia (100 a 1.000 kW).

Turbinas multimegavat (1.000 a 5.000 kW).

Un parámetro empleado para diferenciar los distintos tipos de turbinas eólicas, es la relación entre la velocidad lineal del extremo de la pala y la velocidad nominal del viento. Esta relación se conoce como velocidad específica de la turbina ( tip speed ratio ) y se designa por λ ( lambda ).

La velocidad nominal del viento es aquella para la cual la turbina alcanza su potencia nominal. Generalmente está comprendida entre 11 y 15 m/s (40 – 54 km/h).

Para valores de λ inferiores o del orden de la unidad, la máquina presenta un par de arranque grande y tiene muchas palas. Corresponde a turbinas destinadas al bombeo de agua y que a veces se denominan máquinas lentas. En cambio, para valores elevados de λ, la turbina tiene menos palas (bipala o tripala), presenta un par de arranque menor y la velocidad del extremo de la pala es mayor. En grandes aerogeneradores λ se sitúa en el intervalo de 5 a 8, la velocidad de giro alrededor de 10 a 20 rpm y la velocidad lineal en el extremo de la pala entre 60 y 90 m/s.

1.3. Sistemas de producción eoloeléctrica

Se distinguen dos sistemas básicos de producción eoloeléctrica:

a) Sistema aislado (en isla)

Usa pequeños aerogeneradores (< 100 kW) y sirve para atender la demanda de energía eléctrica de núcleos aislados. Al no estar interconectado con la red eléctrica, se debe prever un sistema auxiliar de almacenamiento (baterías eléctricas) para los períodos de calma o baja intensidad de viento. En muchas ocasiones, el sistema se apoya con fuentes de producción eléctrica auxiliar (grupos electrógenos o sistemas fotovoltaicos) formando un sistema denominado “híbrido”.

El generador eléctrico acostumbra a ser síncrono de imanes permanentes y está accionado directamente por la turbina eólica sin caja multiplicadora de velocidad (gear box) entre el eje del rotor de la turbina y el generador eléctrico o bien asíncrono con rotor en jaula dotado de una batería de condensadores para suministro de energía reactiva al generador. La electricidad producida en forma de corriente alterna de frecuencia variable se rectifica y almacena en baterías para posteriormente ser convertida de nuevo de corriente continua a alterna a frecuencia constante (50 o 60 Hz) mediante un ondulador o inversor. Finalmente, un transformador eleva la tensión a la requerida por el servicio (230/400 V).

En general, los microgeneradores para la producción individual de energía eléctrica, tienen potencias entre 1 y 5 kW, con diámetros entre 2 y 5 m. Debido a la economía de escala, el coste unitario de la potencia instalada es mucho mayor para un minigenerador que para un parque eólico, del orden de unas cinco a diez veces.

También se utilizan sistemas aislados con pequeñas turbinas multipala para producir energía mecánica directa para el bombeo de agua de pozos. Las eólicas multipalas ( “windmill” ) presentan una curva característica par – velocidad adecuada para el accionamiento directo de bombas hidráulicas para la extracción de agua de pozos.

b) Parque eólico

Un parque eólico actúa como una central eléctrica. En general formado por aerogeneradores de gran capacidad nominal, entre 600 kW a 3.000 kW, en un número que varía entre 10 y 100, resultando parques entre 10 y 100 MW. Se distinguen dos tipos de parques: terrestres ( onshore ) y marinos ( offshore ).