En California, Estados Unidos, entre la brisa del océano Pacífico y el calor del desierto de Mojave, se extiende el desfiladero de Tehachapi, una zona privilegiada para el aprovechamiento de la energía eólica.
Se trata del punto con menor altitud en el que convergen el aire fresco del océano y el calor del desierto. Y el viento (que se forma debido a las diferencias de temperatura y presión de los gases en la atmósfera) siempre «busca» estas zonas más bajas. Por lo tanto, todos los días, cuando el sol comienza a ocultarse y se produce este «choque» entre las distintas temperaturas y humedades, el viento invade el desfiladero como si se tratase de un río.
Esta corriente de viento intensa, predecible y siempre en la misma dirección hizo que el desfiladero de Tehachapi fuese uno de los primeros lugares elegidos para instalar turbinas eólicas en Estados Unidos. Curiosamente, con el paso de los años y la evolución de la tecnología eólica, el desfiladero comenzó a «acumular» turbinas de diferentes épocas, convirtiéndose así en un auténtico museo.
Estas turbinas, que tienen distintas formas, capacidades y especificaciones técnicas, se yerguen en varias zonas del desfiladero y prestan testimonio del paso del tiempo y del enorme crecimiento que ha experimentado la utilización de esta forma de captación de energía natural para la producción de electricidad.
Un museo que crea luz
Rising Tree, el parque eólico de EDP Renováveis en el desfiladero de Tehachapi, tiene una capacidad instalada de 198 megavatios (MW), la cual es suficiente para proporcionar electricidad a unos 92 000 hogares de California. El parque, que comenzó a operar en el 2014, contiene algunas de las turbinas más modernas que existen en la actualidad.
Pero justo detrás de los aerogeneradores más modernos (a escasos kilómetros de distancia), podemos encontrar aún en funcionamiento turbinas de las décadas de 1980 y 1990, diez veces más pequeñas que las actuales y mil veces menos potentes. Solo como referencia, 6 turbinas eólicas actuales son capaces de producir lo mismo que 240 turbinas de hace 20 años.
Pero cómo ha sido posible mantener en funcionamiento turbinas de hace 40 años? Una de las estrategias empleadas ha sido la de reutilizar piezas de aerogeneradores averiados, las cuales se han incorporado a otras turbinas que sí funcionaban. Puede parecer algo insignificante, pero no lo es, puesto que ya no se fabrican piezas de repuesto para turbinas de hace 40 años. Por lo tanto, gracias a la estrategia de utilizar piezas de unas para reparar otras, ha sido posible mantener en funcionamiento 80 o 90 turbinas de las 240 que había hace 20 años.
Primeros pasos, por ensayo y error
Una visita a esta región revela que la disposición de las turbinas eólicas es algo caótica. Los modelos de última generación comparten espacio, funciones y responsabilidades con sus predecesores, como si fuesen empleados de varias edades que trabajasen en la misma empresa.
Esta mezcla de turbinas gigantescas con otras más pequeñas y menos potentes también se debe a la evolución de los tiempos.
En los años 70 y 80, no había herramientas para medir con eficacia el viento (los llamados anemómetros) ni satélites que se movieran alrededor de la atmósfera, por lo que no era posible obtener una visión global del país ni saber con seguridad en qué zonas se podía aprovechar mejor el viento. Además, las turbinas actuales se pueden poner en marcha a diferentes velocidades, mientras que las antiguas solo funcionaban cuando el viento era muy fuerte.
Por lo tanto, no se sabía qué ubicaciones eran las más indicadas para colocar las turbinas. El ensayo y error fue lo que condujo a que los aerogeneradores más antiguos se instalasen de forma aparentemente desordenada.
Una tecnología en expansión
La producción de electricidad mediante energía eólica ha dado un increíble salto cualitativo y cuantitativo en muy poco tiempo, y se han alcanzado los 370 GW de producción acumulada en todo el mundo en las dos últimas décadas.
La mayor parte de la capacidad instalada se encuentra en Asia, seguida de Europa y Estados Unidos, pero los mercados emergentes están adquiriendo una importancia cada vez mayor.
Y a medida que ha ido aumentando la capacidad instalada, la tecnología también ha evolucionado para producir más a menor coste de una manera más eficiente y sostenible. En otras palabras, los objetivos de la evolución tecnológica van más allá de la simple intención de captar más energía, ya que también existe una gran preocupación por minimizar el impacto ambiental y mejorar la integración con las redes eléctricas.
Los avances tecnológicos han permitido incluso que se explote esta fuente renovable en lugares con un potencial eólico reducido, principalmente en climas más fríos o mayores altitudes, donde la densidad del aire es menor.
Turbinas para todos los gustos
Los fabricantes de turbinas tratan constantemente de adaptar sus soluciones a los desafíos específicos de cada proyecto. La proliferación de fabricantes ha estimulado el mercado, y las tecnologías disponibles varían de unos lugares a otros. La competencia es tal que, hoy en día, es posible consultar de forma anual en sitios web especializados listas del tipo «Las 10 mejores turbinas eólicas del mercado», tal y como haríamos si quisiéramos, por ejemplo, adquirir un teléfono móvil.
Cuáles son, entonces, los criterios por los cuales se diferencian unas turbinas de otras? ¿Qué habría que tener en cuenta a la hora de instalar una turbina? Un aerogenerador común actual incluye los siguientes componentes:
- Base de acero, cemento o mixta.
- Rotor de tres palas con mecanismo de orientación activo para preservar la alineación con la dirección del viento.
- Sistema de control de viento de alta velocidad («pitch control» o control de inclinación).
- Unidad de tracción de velocidad variable, que permite optimizar la captación de energía incluso con vientos más suaves.
La base
Las bases para la generación de energía eólica del mercado tienden a ser cada vez más altas debido al aumento del tamaño de los rotores de las turbinas.
No obstante, los costes de construcción de las torres y de sus bases aumentan de forma proporcional, por lo que siempre debe tenerse en cuenta la relación coste-beneficio de cada solución.
Las torres de acero han sido la solución que más se ha utilizado, aunque el aumento de la altura de las mismas ha obligado a buscar otras alternativas. Esto se debe a que la construcción de una torre de acero muy alta requiere una base con un diámetro considerablemente mayor. Por ejemplo, una torre de 100 metros de altura implica una base con un diámetro de 4 metros. Esto hace que su transporte sea particularmente problemático, y ha conducido a que las construcciones de hormigón «in situ» se hayan convertido en una alternativa viable.
Otras soluciones combinan el hormigón y el acero. En esos casos, la base se hace de hormigón (se construye «in situ» o se transporta), y la parte superior de la torre se fabrica a partir de estructuras de acero tubulares.
El rotor
El tamaño de los rotores (las palas de la turbina) se ha incrementado con el tiempo, pero lo más importante es que el área de barrido de las palas, es decir, la cantidad de energía eólica que pueden captar, se ha duplicado.
También se debe tener en cuenta que el diámetro de los rotores de las turbinas es muy variable en función de su ubicación o, para ser más específicos, en función de las características de los vientos de cada región. Normalmente, los rotores que hay en Estados Unidos son más grandes que los de otros mercados, ya que los vientos de la región suelen ser de velocidad media.
Y los diámetros de los rotores que se emplean en Europa son más variados que los que se usan en Asia o Estados Unidos, ya que los vientos tienen unas características muy diferentes en los distintos países europeos.
Al aumentar el tamaño de las palas, se incrementa también la posibilidad de captar energía, aunque hay que ser cauteloso. Debe tenerse en cuenta que, cuanto más grandes sean las palas de un rotor, más difícil será transportarlas. No hay más que imaginarse el radio de giro necesario para tomar una curva con unas palas de más de 50 metros en el «maletero»...
Los sistemas de control
Las turbinas o aerogeneradores están diseñados para soportar vientos muy fuertes, pero solo cuando están parados. Es decir, son capaces de resistir una tormenta, pero solo si las aspas no se mueven. Si estas giran libremente cuando el viento es muy fuerte, son capaces de generar fuerzas de tal calibre que destruyan la turbina por completo.
Debido a esto, los aerogeneradores actuales están equipados con sistemas de control y frenos que se ponen en funcionamiento cuando los vientos alcanzan ciertas velocidades, lo cual evita las amenazas. Existen dos tipos principales de sistemas de este tipo: el control por «stall» (ralentización) y el control por «pitch» (inclinación).
En los 80, el mercado se basaba en un modelo danés de turbina de tres palas con tecnología de control pasivo (el método de ralentización) y velocidad fija que permitía capturas medias de 200 kW. Pero la tecnología ha evolucionado desde entonces y, actualmente, suelen utilizarse turbinas de velocidad variable y sistemas de control por inclinación.
El control por inclinación no es más que la capacidad de cambiar el ángulo de las palas de las turbinas, es decir, rotarlas sobre su propio eje para que no estén «de cara» al viento si este es muy fuerte.
El tamaño de las turbinas también ha aumentado de forma constante. Hoy en día, los aerogeneradores instalados con mayor frecuencia (en tierra, no en alta mar) tienen una capacidad de entre 1,5 y 3 MW, con alturas que oscilan entre los 90 y los 110 metros, y palas que alcanzan los 120 metros de diámetro. No es de extrañar que se tomen todas las medidas necesarias para prevenir que se separen del suelo y salgan volando.
La unidad de tracción
La unidad de tracción es responsable de convertir la energía mecánica capturada en el rotor en energía eléctrica. Y podemos clasificar las turbinas de acuerdo con los pasos que conlleva esta conversión:
- Turbina motorizada con generador de doble alimentación: En este tipo de turbinas, la unidad de tracción convierte la baja velocidad a la que giran las aspas en una velocidad mucho mayor, que es la que se necesita para que el generador funcione. La velocidad de este generador se puede adaptar a la velocidad del sistema mecánico.
- Turbina de tracción directa: Estas turbinas tienen un generador directamente acoplado al eje principal con imanes que giran a la misma velocidad que el rotor, lo cual hace que se produzca electricidad. Este generador, a su vez, está conectado a la red eléctrica a través de un convertidor de potencia que ajusta el voltaje de la electricidad generada al de la red eléctrica.
- Turbina mixta o híbrida: Cuanto más grandes son las palas de una turbina, menor es la velocidad a la que giran. Por otro lado, los imanes presentes en los generadores tienen que girar a una velocidad muy alta para producir electricidad. Esto suele implicar la presencia de equipos complejos y pesados que puedan convertir la energía mecánica en energía eléctrica. Las turbinas combinadas son una solución simplificada que, mediante una caja de cambios, permite convertir la baja velocidad de las palas en la velocidad media o alta de los generadores.
Ilustración del interior de una turbina:
Tal y como hemos visto, las turbinas eólicas actuales son máquinas sofisticadas diseñadas para captar la energía mecánica del viento y convertirla en electricidad. Las palas de la turbina captan el viento y hacen girar un eje interno, que está conectado a una caja de cambios. Esta, a su vez, hace girar el generador, lo cual hace que se produzca electricidad.
Las torres, ya sean de acero o de hormigón, soportan un rotor de tres palas e incluyen también un compartimento donde se ubica el eje interno, la caja de cambios, el generador y el sistema de control.
Se realizan mediciones frecuentes de la fuerza del viento para determinar la mejor posición de la turbina (de forma que encare los vientos más fuertes) y de sus palas (para optimizar la captación sin que se produzcan accidentes).
Ve al museo para ver el viento
La tecnología de producción de energía eólica evoluciona constantemente con el objetivo de crear máquinas más robustas que generen un menor impacto ambiental y visual. Aumentar la eficiencia de las turbinas sigue siendo un reto, ya que el peso y el tamaño de sus componentes tiende a incrementarse de forma exponencial.
Los diversos tamaños y formas de las turbinas fabricadas hasta la fecha están expuestos (y en funcionamiento) en la región de Rising Tree. Este museo, que en realidad es un parque eólico, cuenta una parte interesante de la historia de la energía. Merece la pena visitarlo si se está de paso por California.
La gestión del parque eólico Rising Tree de California corre a cargo de EDP Renewables (EDPR) North America, y tiene la cuarta mayor capacidad instalada de todos los parques eólicos de Estados Unidos. EDPR está presente también en parques eólicos de 14 estados de EE. UU., además de en Canadá y México.
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