ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS Y TIPOS DE APROVECHAMIENTO EÓLICO
El aprovechamiento de la energía eólica se encuentra en un estado de madurez tecnológica considerable, siendo una de las fuentes de energía renovable más competitivas y con gran potencial para la transición energética global. La innovación actual se centra en mejorar la eficiencia, reducir costos y mitigar el impacto ambiental.
I. Estado del Arte de las Tecnologías Eólicas
La tecnología predominante para el aprovechamiento eólico son los aerogeneradores, dispositivos diseñados para transformar la energía cinética del viento en energía eléctrica.
Imagen que muestra la diferencia entre la configuración predominante de Eje Horizontal (HAWT) y la de Eje Vertical (VAWT):
A. Clasificación por Eje de Rotación
Existen dos configuraciones principales que definen el diseño del aerogenerador:
- Aerogeneradores de Eje Horizontal (HAWT -Horizontal Axis Wind Turbine):
- Descripción: Son la configuración dominante a nivel mundial, representando la mayoría de las instalaciones comerciales. Se caracterizan por tener el rotor y las palas orientados al viento, generalmente con tres palas. Requieren un mecanismo de orientación (yaw) para enfrentar el rotor a la dirección del viento.
- Avances: Las principales tendencias son el aumento de tamaño (palas más largas y torres más altas, superando los 150 metros) para capturar vientos más fuertes y constantes a mayor altura. Se han desarrollado rotores más ligeros, así como sistemas de control de paso (pitch) de las palas más sofisticados para optimizar la producción y reducir las cargas estructurales.
- Descripción: El eje de rotación es perpendicular al suelo. No requieren un sistema de orientación al viento, lo que simplifica su diseño. Sus componentes principales (generador, caja de engranajes) pueden estar a nivel del suelo, facilitando el mantenimiento.
- Tipos: Los modelos principales son el Savonius (de arrastre, autoarranque, baja eficiencia) y el Darrieus (de sustentación, alta velocidad, mayor eficiencia).
- Avances: La innovación se enfoca en turbinas pequeñas para aplicaciones urbanas y aisladas, donde su menor ruido, estética y capacidad de operar con vientos turbulentos son ventajosos, aunque su eficiencia general es menor que la de los HAWT a gran escala.
B. Tecnologías Clave y Componentes
- Generadores y Velocidad: La tendencia dominante es el uso de turbinas de velocidad variable (VSWT), que ajustan la velocidad del rotor a las condiciones del viento, maximizando la producción y reduciendo el estrés mecánico. Se emplean principalmente generadores de inducción doblemente alimentados (DFIG) y, cada vez más, generadores síncronos de imanes permanentes (PMSG) de conexión directa, que eliminan la necesidad de la caja de engranajes (gearbox), simplificando la góndola y reduciendo el mantenimiento.
- Materiales: Se investiga en nuevos materiales compuestos y aleaciones más ligeras y resistentes para las palas, permitiendo el desarrollo de rotores de diámetros gigantescos, especialmente en la eólica marina.
II. Tipos de Aprovechamiento Eólico
El aprovechamiento de la energía eólica se clasifica según la escala y la ubicación de las instalaciones:
- Generación Eléctrica a Gran Escala (Parques Eólicos):
- Eólica Terrestre (Onshore): Agrupaciones de grandes aerogeneradores instalados en tierra, que inyectan la electricidad directamente a la red de transmisión. Es la forma más extendida y económicamente viable.
- Eólica Marina (Offshore): Instalaciones en el mar. Aprovechan vientos más fuertes y uniformes, lo que resulta en una mayor producción de energía por turbina. El estado del arte se centra en:
- Cimentación Fija: Usada en aguas poco profundas (hasta 50-60 metros de profundidad).
- Eólica Flotante: Tecnología emergente que permite la instalación en aguas profundas mediante plataformas flotantes (semisumergibles, spar-buoys o TLP) ancladas al lecho marino. Esta es la gran frontera de la innovación eólica.
- Minieólica: Aerogeneradores de baja potencia (generalmente menos de 100 kW) utilizados para el autoconsumo en entornos rurales, granjas o pequeñas industrias. A menudo se combinan con sistemas fotovoltaicos (sistemas híbridos).
- Eólica Urbana: Pequeños aerogeneradores (a menudo VAWT) diseñados para instalarse en zonas con vientos turbulentos, como tejados o entornos urbanos.
- Aerobombas o Molinos de Bombeo: Se utilizan tradicionalmente para la extracción de agua del subsuelo o el riego, transformando la energía eólica directamente en trabajo mecánico sin generar electricidad.
III. Ejemplo de Ingreso: El Parque Eólico Flotante
El principal ingreso de aprovechamiento eólico es la Generación Eléctrica a Gran Escala mediante la venta de la energía producida a la red. El ejemplo más vanguardista de esta forma de aprovechamiento es el Parque Eólico Flotante.
Descripción del Ingreso
El ingreso se genera a través de la instalación y operación de un conjunto de aerogeneradores de eje horizontal de gran potencia (por ejemplo, 15 MW por unidad) ubicados sobre plataformas flotantes en el océano. Este método permite explotar el vasto recurso eólico de las aguas profundas, donde los vientos son más constantes y fuertes.
- Tecnología: Se utiliza la tecnología HAWT de última generación montada sobre plataformas flotantes (semisumergibles o tipo spar) que se anclan al fondo marino mediante sistemas de amarre (mooring lines).
- Generación y Venta: La energía eléctrica generada por cada turbina es recogida y consolidada en una subestación eléctrica flotante. Posteriormente, se transmite a tierra mediante cables submarinos de alta tensión. El ingreso se materializa mediante la venta de esta electricidad a la red de transmisión bajo contratos a largo plazo (PPAs - Power Purchase Agreements) o mediante subastas de energía.
- Ventaja Competitiva: La eólica flotante desbloquea un recurso energético masivo y de alta calidad (mayor factor de capacidad), superando la limitación de la profundidad del agua, un obstáculo para la eólica marina de cimentación fija tradicional.
Ejemplo Específico
- Nombre del Proyecto: Parque Eólico Flotante Hywind Tampen (Noruega)
- Descripción: Es uno de los primeros parques eólicos flotantes del mundo. Suministra electricidad a las plataformas de petróleo y gas de Snorre y Gullfaks en el Mar del Norte.
- Relevancia: Este proyecto demuestra la viabilidad técnica de la tecnología flotante, usando aerogeneradores sobre plataformas spar-buoys para operar en condiciones marítimas extremas. Además, es un ejemplo de cómo la energía eólica puede integrarse para descarbonizar operaciones industriales offshore intensivas en energía. [1]
[1] E. M. Alave-Vargas, R. Orellana Lafuente, D. F. Sempértegui-Tapia, E. M. Alave-Vargas, R. Orellana Lafuente, y D. F. Sempértegui-Tapia, «ESTADO DEL ARTE SOBRE AEROGENERADORES DE EJE VERTICAL», Investigación & Desarrollo, vol. 22, n.o 1, pp. 161-172, 2022, doi: 10.23881/idupbo.022.1-13i.