Opinion · Un poco de ciencia, por favor

Las aspas de un generador eólico

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

En anteriores artículos publicados en este periódico y en otros medios, he ido describiendo detalles de la ciencia, la historia  y el funcionamiento de estos asombrosos sistemas de obtención de energía eléctrica. En este me voy a detener en uno de los elementos más llamativos de un aerogenerador: las palas. Gracias a ellas y a su giro, el aerogenerador puede transformar la energía de traslación del viento en energía de rotación y gracias a la Ley de Faraday, en energía eléctrica:

Una de las palas (o aspas) del aerogenerador Haliade-X 12 MW, de la empresa GE Renewable Energy, junto con la góndola donde se aloja la turbina, en el recuadro interior de la imagen. La presencia de los trabajadores permite hacernos una idea de las dimensiones del aerogenerador

En el siguiente vídeo se puede ver el tamaño de un aspa de uno de estos gigantes energéticos al salir del hangar donde se ha fabricado:

Las aspas o palas de las turbinas tienen un diseño muy similar a las alas de un avión y se comportan, en presencia del viento, como lo hacen estas últimas. En las alas de un avión, una de las superficies está muy redondeada, mientras que la otra es relativamente plana. Cuando el aire circula a través del aspa de un molino con este diseño, el aire circulante por la superficie lisa lo hace más despacio que por la redondeada; este diferencia de velocidades genera a su vez una diferencia de presión, más acusada sobre la superficie lisa que sobre la redondeada; el resultado neto es que hay una fuerza actuando sobre la superficie lisa que empuja el ala; este fenómeno se conoce como “Efecto Venturi” (debido al físico italiano del siglo XVIII que lo describió por primera vez) y es en parte responsable del fenómeno conocido como “sustentación”, que a su vez, es uno de los procesos que explican por qué los aviones se mantienen en el aire. La explicación del fenómeno de la sustentación de los aviones es compleja e involucra varios procesos físicos, además del efecto Venturi y queda fuera de los objetivos de este artículo. Recomiendo al lector interesado la lectura de este texto para una explicación más detallada.

Es decir, el diseño de las palas de una turbina eólica es una obra de ingeniería extraordinaria, ya que su perfil permite el giro, tal y como muestra la figura que lo ilustra:

Flujo de viento a través de las aspas de un generador, este flujo crea dos fuerzas: de empuje sobre la superficie (“lift”) y de arrastre (“drag”). La fuerza de empuje es una de las responsables de la rotación de las aspas

Los mecanismos descritos en la figura, en particular la fuerza de empuje sobre una de las superficies del aspa, son los que también utilizan las aspas de los molinos eólicos para provocar el movimiento de rotación alrededor de su eje. El diseño de la sección de las aspas favorece que la rotación se produzca de la manera más eficiente posible.

Haliade-X 12 MW, el aerogenerador más grande del mundo

Estas asombrosas y enormes turbinas hacen uso de palas de dimensiones también impresionantes, con algunos modelos especialmente llamativos. Es el caso de la pala mostrada en la primera imagen de este artículo, perteneciente al aerogenerador más grande del mundo en la actualidad, el Haliade-X 12MW, fabricado por la compañía GE Renewable Energy, una filial de la empresa General Electric, el gigante industrial y financiero estadounidense, –fundado en 1892 por J. P. Morgan, que posibilitó la hegemonía de la corriente alterna frente a la continua, célebre pugna establecida entre Nikola Tesla y Tomas Alva Edison a finales del siglo XIX–. Este «monstruo», diseñado para su uso en parques eólicos instalados en el mar, cuenta con palas que tienen la asombrosa longitud de 107 metros:

Comparando las dimensiones del aerogenerador Haliade-X 12 MW con algunos edificios conocidos

Las dimensiones de esta pala son, sencillamente, extraordinarias: sus 107 metros de un extremo a otro, son 1,5 veces la longitud de un Boeing 747 y algo más de lo que mide la banda larga del terreno de juego de un gran estadio de fútbol, como por ejemplo, la del célebre campo de Maracaná, en Río de Janeiro (la banda de este recinto deportivo mide 105 m.). El aerogenerador completo tiene una altura de 260 metros desde su base hasta la punta de sus palas, y el diámetro del rotor es de 220 metros. Haliade-X es la última gran revolución de la tecnología eólica marina. Una sola turbina de estas características, cuando esté funcionando a pleno rendimiento, lo que ocurrirá no antes de finales de 2021, tendrá capacidad para generar 67 GWh al cabo de un año, suficiente energía como para abastecer hasta 16.000 hogares.

La fabricación de las aspas es un proceso delicado y complejo. En esencia, consiste en llenar poco a poco un molde con finas capas de fibra de vidrio, madera y fibra de carbono, entrelazados entre sí para darle rigidez mecánica y fortaleza. Después se inyectan resinas y otros productos químicos para formar la estructura. Es un trabajo esencialmente artesanal, ya que su enorme tamaño y la complejidad del proceso implican que la posible automatización del proceso de fabricación sea inviable y carente de sentido; finalizar una sola aspa puede llevar hasta tres días. Las aspas más grandes ya pesan casi 30 toneladas y hacerlas más largas les añade peso; no es difícil imaginar la extraordinaria rigidez por una parte y flexibilidad por otra, que deben tener para soportar los embates del viento sin fracturarse. Las aspas con una envergadura excesiva podrían ocasionar que el rotor se desgaste antes y aumentar la presión en otros componentes del generador. La imagen muestra una fase del proceso de fabricación:

Proceso de fabricación de las aspas de un aerogenerador

El pasado 7 de noviembre de 2019, GE Renewable Energy anunció que el prototipo del aerogenerador Haliade-X, ubicado en Rotterdam-Maasvlakte, produjo con éxito sus primeros kWh. Las sucesivas fases de la instalación del prototipo de este gigante, se muestra en el siguiente vídeo:

Este generador será instalado en los parques eólicos marinos Skip Jack de 120 MW, Ocean Wind de 1.100 MW en los EE. UU. y en el parque eólico marino de 3.600 MW de Dogger Bank en el Reino Unido. La producción en serie del Haliade-X 12 MW comenzará en la segunda mitad de 2021.