Opinion · Un poco de ciencia, por favor

Energía eólica, líder de las tecnologías renovables modernas

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

La energía eólica, la energía solar fotovoltaica, la energía solar termoeléctrica, incluso la energía que obtenemos de los combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón) provienen, en último término, del Sol. Durante un año, la Tierra recibe del sol  1,74 × 10e17 W  [1] de potencia sobre su superficie o lo que es lo mismo 1,74 × 10e17 × 8.760 h = 1,5 × 10e18 kW.h de energía al cabo del año. Alrededor del 1-2% de esa descomunal cantidad se puede convertir en energía eólica debido al movimiento de las masas de aire, ya que el viento se origina por el calentamiento del aire, de la tierra y del mar por la radiación solar, fenómeno que se hace especialmente relevante en lugares montañosos y en las zonas costeras. De esta forma, podemos entender que la energía eólica es básicamente una forma indirecta de energía solar.

1. Origen y tipos de vientos [2]

Podemos dividir los vientos en dos grandes categorías: vientos globales y vientos locales.

1.1 Vientos globales

Las regiones alrededor del ecuador, situadas a 0º de latitud, se calientan por la radiación solar más que el resto de las zonas del planeta. El aire caliente, más ligero que el frío, sube hasta alcanzar una altura aproximada de 10 km y se extiende hacia el norte y el sur. Si el globo terrestre no rotara, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y al Polo Sur. Al tener en cuenta el movimiento de rotación de la Tierra, el proceso de circulación global del aire sobre el planeta se hace mucho más complejo de analizar y entender. En el hemisferio norte, el movimiento del aire en las capas altas tiende a desviarse hacia el este y en las capas bajas hacia el oeste, por efecto de las fuerzas de inercia, denominadas fuerzas de Coriolis. En el hemisferio sur ocurre al contrario.

Por lo tanto, el ciclo de los vientos que habría en un planeta estático, ahora se subdivide. El aire que asciende en la zona cálida del ecuador se dirige hacia el polo, desviándose hacia el este a medida que avanza hacia el Polo Norte. Al alcanzar la zona subtropical, desciende, volviendo al ecuador por la superficie, dando lugar a los vientos Alisios. Por encima de este ciclo subtropical se forma otro de características semejantes, aunque en este caso es el aire cálido que ha descendido en la zona subtropical el que se desplaza por la superficie terrestre hasta que alcanza la zona subpolar, en donde vuelve a ascender enlazando con el ciclo polar. La figura muestra esquemáticamente los vientos globales dominantes en la Tierra:

Distribución de los vientos globales sobre la Tierra. Fuente de la imagen: aprendeconenergía.cl

La dinámica atmosférica es una rama de la física sumamente interesante y compleja y su análisis pormenorizado queda fuera de los objetivos de este artículo. Los lectores interesados pueden consultar este artículo para ampliar detalles.

1.2 Vientos locales: brisas marinas

Aunque los vientos globales son importantes a la hora de averiguar qué vientos son los dominantes de un área determinada, las condiciones climáticas locales pueden influir decisivamente a la hora de determinar cuáles son las direcciones de vientos más comunes en una región concreta. Los vientos locales siempre se superponen a los globales, de forma que la dirección del viento está influenciada por la suma de los efectos global y local. Cuando los vientos globales son suaves, los vientos locales pueden dominar los regímenes de viento.

En las zonas costeras, durante el día la radiación solar calienta la tierra se calienta más rápidamente que el mar. El aire caliente sube, circula hacia el mar, y crea una depresión a nivel del suelo que atrae el aire frío del mar, esto es lo que se llama brisa marina. A menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando las temperaturas del suelo y del mar se igualan. Durante la noche, los vientos soplan en sentido contrario y suelen tener velocidades inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es más pequeña de lo que es durante el día, cuando hay sol. La figura muestra esquemáticamente la situación descrita:

Sentido de la circulación del viento en las regiones costeras durante el día (izquierda) y la noche (derecha). Fuente de la imagen: www.bvsde.paho.org (La estructura dinámica de la atmósfera)

1.3 Vientos locales: vientos de montaña

Las regiones montañosas muestran modelos de clima muy interesantes. Un ejemplo es el viento del valle o vientos de ladera, que se origina en las laderas montañosas que dan al sur (o en las que dan al norte en el hemisferio sur). Cuando las laderas y el aire próximo a ellas están calientes (lo que ocurre durante el día), la densidad del aire disminuye, y el aire asciende hasta la cima siguiendo la superficie de la ladera. Durante la noche la dirección del viento se invierte, convirtiéndose en un viento que fluye ladera abajo. La figura lo muestra:

Sentido de la circulación del viento en las laderas montañosas durante el día (izquierda) y la noche (derecha). Fuente de la imagen: www.bvsde.paho.org (La estructura dinámica de la atmósfera)

Independientemente de la naturaleza del viento (global o local), las masas de aire en movimiento transportan una enorme cantidad de energía cinética; los generadores eólicos transforman esa energía de movimiento de la traslación del aire en energía de rotación para mover el rotor de un alternador, que a su vez transforma esa energía de rotación en energía eléctrica mediante la Ley de Faraday.

Obviamente, las direcciones dominantes del viento son importantes para el emplazamiento de un aerogenerador, ya que este deberá situarse en un lugar en el que haya el mínimo número de obstáculos posibles para los flujos dominantes del viento. Por las razones comentadas en el punto precedente, los lugares habituales de instalación de las turbinas eólicas son los puntos cercanos a las costas marinas (tanto en tierra –“on shore”-, como en agua -”off shore”-) y las regiones cercanas a las laderas de las montañas.

2. Generadores eólicos modernos

A grandes rasgos, los generadores eólicos pueden clasificarse en dos grandes grupos: de eje horizontal y de eje vertical.

2.1 Turbinas de eje vertical

En los aerogeneradores de eje vertical, el eje de rotación de la turbina se mantiene vertical o perpendicular al suelo. Las turbinas de eje vertical se utilizan principalmente en pequeños proyectos eólicos y en aplicaciones residenciales.

La gran ventaja de estas turbinas es que funcionan con vientos provenientes de cualquier dirección. Debido a esta versatilidad, estos aerogeneradores son la elección adecuada para instalaciones donde las condiciones del viento son muy irregulares e impredecibles por los modelos climáticos. También son la elección obligada cuando, por normativas medioambientales, la turbina no puede colocarse lo suficientemente alta como para beneficiarse de vientos más uniformes y predecibles.

El ejemplo más característico de esta clase de turbinas es el generador Darrieus, que toma su nombre en honor a su inventor, el científico francés Georges Darrieus (1888-1979). Tienen una buena eficiencia, pero la torre que sustenta las aspas sufre tensiones apreciables durante el giro de éstas, lo que hace que tengan una fiabilidad deficiente. También requieren generalmente alguna fuente de energía externa para comenzar a girar. La siguiente figura muestra imágenes de los tres tipos de turbinas descritos en el texto:

Izquierda: turbina Darrieus (fuente de la imagen: Renovable Energy UK). Centro: turbina Savonius (fuente de la imagen: Netzeroguide.com). Derecha: turbina tripala de eje horizontal (fuente de la imagen: Top-alternative-energy-sources.com)

El otro tipo principal de generador de eje vertical es la turbina Savonius (figura central), diseñada en la década de los años 20 del siglo pasado por el ingeniero finlandés Sigurd Savonius (1856-1906). Es uno de los diseños más simples que existen; consiste en dos o tres palas en forma de cuchara que emplean el empuje producido por el viento sobre ellas para convertir la energía eólica en energía de rotación que impulsa una turbina situada en su base. Cuando se mira desde arriba su sección transversal, una turbina de dos palas parece una S. Como las turbinas Darrieus, la turbina Savonius gira con cualquier viento independientemente de la orientación que tenga frente a este. No obstante, en este tipo de turbinas, se pierde mucha energía en el proceso de conversión a energía eléctrica. Como consecuencia, no son el diseño preferido para la producción de cantidades apreciables de energía; se utilizan siempre cuando se necesitan pequeñas cantidades de energía y requieren poco o ningún mantenimiento. También son una buena opción para muchos usos diferentes al de la obtención de electricidad, por ejemplo, muchos medidores de la velocidad del viento (denominados anemómetros) están basados en el diseño de las turbinas Savonius.

Como regla general, las turbinas de eje vertical son poco eficientes, por lo que en la actualidad, la práctica totalidad de los huertos eólicos instalados en el mundo utilizan generadores de eje horizontal.

2.2 Turbinas de eje horizontal

Son las más antiguas, piénsese por ejemplo en los molinos del Campo de Criptana (Castilla La Mancha, España) del Renacimiento o en los molinos “windmills” de los Estados Unidos de América, popularizados durante el siglo XIX.

Un ejemplo de un generador tripala moderno se ve en la parte derecha de la figura anterior. En estas turbinas, el eje de rotación del aerogenerador es paralelo al suelo. Hoy en día, para el aprovechamiento de la energía de grandes masas de aire, son la elección universal. Esto se debe a que, como analizaré en artículos sucesivos, son los más eficientes en términos de conversión de la energía del viento en energía eléctrica.

En un próximo texto, analizaré con detalle el principio de funcionamiento y la estructura interna de una turbina eólica de eje horizontal.
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[1] 1,74e17 W = 174.000.000.000.000.000 W = 174.000 billones de vatios.

[2] La información de este punto la he obtenido esencialmente de la página web “Danish Wind Industry Association