Turbina eólica contrarrotante- Aerogenerador de eje vertical en alta mar
- Turbina eólica con poste de luz
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Una turbina eólica es un dispositivo que convierte la energía cinética del viento en energía eléctrica . En 2020 [actualizar], cientos de miles de grandes turbinas , en instalaciones conocidas como parques eólicos , generaban más de 650 gigavatios de energía, con 60 GW añadidos cada año. [1] Las turbinas eólicas son una fuente cada vez más importante de energía renovable intermitente y se utilizan en muchos países para reducir los costes energéticos y la dependencia de los combustibles fósiles . Un estudio afirmó que, en 2009, [actualizar]la energía eólica tenía las "emisiones de gases de efecto invernadero relativas más bajas, las menores demandas de consumo de agua y los impactos sociales más favorables" en comparación con las fuentes de energía fotovoltaica , hidroeléctrica , geotérmica , de carbón y de gas . [2]
Las turbinas eólicas más pequeñas se utilizan para aplicaciones como la carga de baterías y dispositivos remotos como señales de advertencia de tráfico. Las turbinas más grandes pueden contribuir al suministro de energía doméstica y vender la energía no utilizada al proveedor de servicios públicos a través de la red eléctrica . [3]
Las turbinas eólicas se fabrican en una amplia gama de tamaños, con ejes horizontales o verticales, aunque los horizontales son los más comunes. [4]
El molino de viento de Herón de Alejandría (10-70 d. C.) es uno de los primeros ejemplos registrados de energía eólica que impulsa una máquina. [5] Sin embargo, las primeras plantas de energía eólica conocidas se construyeron en Sistán , una provincia oriental de Persia (actualmente Irán), a partir del siglo VII. Estos " Panemone " eran molinos de viento de eje vertical, que tenían ejes de transmisión verticales largos con aspas rectangulares. [6] Estos molinos de viento, hechos de seis a doce aspas cubiertas con esteras de juncos o tela, se usaban para moler grano o extraer agua, y se usaban en las industrias de molienda de granos y de la caña de azúcar. [7]
La energía eólica apareció por primera vez en Europa durante la Edad Media . Los primeros registros históricos de su uso en Inglaterra datan de los siglos XI y XII; hay informes de cruzados alemanes que llevaron sus habilidades en la fabricación de molinos de viento a Siria alrededor de 1190. [8] En el siglo XIV, los molinos de viento holandeses ya estaban en uso para drenar áreas del delta del Rin . El inventor croata Fausto Veranzio describió turbinas eólicas avanzadas en su libro Machinae Novae (1595). Describió turbinas eólicas de eje vertical con aspas curvas o en forma de V.
El primer aerogenerador generador de electricidad fue instalado por el austriaco Josef Friedländer en la Exposición Internacional de Electricidad de Viena en 1883. Era un molino de viento Halladay para accionar una dinamo . El «motor eólico» Halladay de 6,6 m (22 pies) de diámetro de Friedländer fue suministrado por US Wind Engine & Pump Co. de Batavia , Illinois . El molino de viento de 3,7 kW (5 hp) accionaba una dinamo a nivel del suelo que suministraba electricidad a una serie de baterías . Las baterías alimentaban varias herramientas eléctricas y lámparas, así como una trilladora. El molino de viento de Friedländer y sus accesorios se instalaron de forma destacada en la entrada norte de la sala de exposiciones principal (« Rotunde ») en el Prater de Viena . [9] [10] [11]
En julio de 1887, el académico escocés James Blyth instaló una máquina de carga de baterías para iluminar su casa de vacaciones en Marykirk , Escocia. [12] Algunos meses después, el inventor estadounidense Charles F. Brush pudo construir la primera turbina eólica operada automáticamente después de consultar a profesores universitarios locales y sus colegas Jacob S. Gibbs y Brinsley Coleberd y lograr que los planos fueran revisados por pares para la producción de electricidad. [13] Aunque la turbina de Blyth se consideró antieconómica en el Reino Unido, [13] la generación de electricidad mediante turbinas eólicas era más rentable en países con poblaciones muy dispersas. [8]
En Dinamarca, en 1900, había unos 2500 molinos de viento para cargas mecánicas, como bombas y molinos, que producían una potencia máxima combinada estimada de unos 30 megavatios (MW). Las máquinas más grandes estaban en torres de 24 metros (79 pies) con rotores de cuatro palas de 23 metros (75 pies) de diámetro. En 1908, había 72 generadores eléctricos impulsados por el viento en funcionamiento en los Estados Unidos, de entre 5 kilovatios (kW) y 25 kW. En la época de la Primera Guerra Mundial, los fabricantes de molinos de viento estadounidenses producían 100.000 molinos de viento agrícolas cada año, principalmente para bombear agua. [15]
En la década de 1930, el uso de turbinas eólicas en las zonas rurales estaba disminuyendo a medida que el sistema de distribución se extendía a esas áreas. [16]
En 1931, en Yalta (URSS) se puso en servicio un precursor de los modernos aerogeneradores de eje horizontal. Se trataba de un generador de 100 kW en una torre de 30 metros (98 pies), conectado al sistema de distribución local de 6,3 kV. Se informó de que tenía un factor de capacidad anual del 32 por ciento, no muy diferente de los aerogeneradores actuales. [ cita requerida ]
En el otoño de 1941, la primera turbina eólica de clase megavatio se sincronizó con una red eléctrica en Vermont . La turbina eólica Smith-Putnam solo funcionó durante unos cinco años antes de que una de las aspas se rompiera. [17] La unidad no fue reparada debido a la escasez de materiales durante la guerra. [18]
La primera turbina eólica conectada a la red eléctrica que funcionó en el Reino Unido fue construida por John Brown & Company en 1951 en las Islas Orcadas . [13] [19]
Sin embargo, a principios de los años 1970, las protestas antinucleares en Dinamarca impulsaron a los mecánicos artesanos a desarrollar microturbinas de 22 kW a pesar de la decadencia de la industria. [20] La organización de los propietarios en asociaciones y cooperativas condujo a la presión del gobierno y las empresas de servicios públicos y proporcionó incentivos para turbinas más grandes durante los años 1980 y posteriormente. Los activistas locales en Alemania, los fabricantes de turbinas nacientes en España y los grandes inversores en los Estados Unidos a principios de los años 1990 presionaron a favor de políticas que estimularan la industria en esos países. [21] [22] [23]
Se ha sostenido que la expansión del uso de la energía eólica conducirá a una mayor competencia geopolítica por materiales críticos para las turbinas eólicas, como los elementos de tierras raras neodimio , praseodimio y disprosio . Sin embargo, esta perspectiva ha sido rechazada críticamente por no transmitir que la mayoría de las turbinas eólicas no utilizan imanes permanentes y por subestimar el poder de los incentivos económicos para la producción expandida de estos minerales. [24]
La densidad de potencia eólica (DPE) es una medida cuantitativa de la energía eólica disponible en cualquier ubicación. Es la potencia media anual disponible por metro cuadrado de área barrida por una turbina y se calcula para diferentes alturas sobre el suelo. El cálculo de la densidad de potencia eólica incluye el efecto de la velocidad del viento y la densidad del aire. [25]
Las turbinas eólicas se clasifican según la velocidad del viento para la que están diseñadas, desde la clase I a la clase III, y de A a C hacen referencia a la intensidad de la turbulencia del viento. [26]
La conservación de la masa exige que la masa de aire que entra y sale de una turbina sea igual. Asimismo, la conservación de la energía exige que la energía que recibe la turbina a partir del viento entrante sea igual a la de la combinación de la energía del viento saliente y la energía convertida en energía eléctrica. Como el viento saliente seguirá teniendo algo de energía cinética, debe haber una proporción máxima de la energía de entrada que esté disponible para convertirse en energía eléctrica. [27] En consecuencia, la ley de Betz establece que la máxima extracción de energía eólica que puede lograr una turbina eólica, conocida como coeficiente de Betz, es 16 ⁄ 27 (59,3 %) de la tasa a la que la energía cinética del aire llega a la turbina. [28] [29]
La potencia teórica máxima de una máquina eólica es, por tanto, 16 ⁄ 27 veces la velocidad a la que la energía cinética del aire llega al área efectiva del disco de la máquina. Si el área efectiva del disco es A y la velocidad del viento v, la potencia teórica máxima P es:
donde ρ es la densidad del aire .
La eficiencia de la relación viento-rotor (incluida la fricción y el arrastre de las palas del rotor ) se encuentra entre los factores que afectan el precio final de la energía eólica. [30] Otras ineficiencias, como las pérdidas en la caja de cambios , el generador y el convertidor, reducen la potencia entregada por una turbina eólica. Para proteger los componentes de un desgaste indebido, la potencia extraída se mantiene constante por encima de la velocidad de operación nominal a medida que la potencia teórica aumenta con el cubo de la velocidad del viento, lo que reduce aún más la eficiencia teórica. En 2001, las turbinas comerciales conectadas a servicios públicos entregaron entre el 75% y el 80% del límite de Betz de potencia extraíble del viento, a la velocidad de operación nominal. [31] [32]
La eficiencia puede disminuir ligeramente con el tiempo, una de las razones principales es el polvo y los restos de insectos en las palas, que alteran el perfil aerodinámico y reducen esencialmente la relación sustentación-resistencia del perfil aerodinámico . El análisis de 3128 turbinas eólicas de más de 10 años en Dinamarca mostró que la mitad de las turbinas no tuvieron disminución, mientras que la otra mitad vio una disminución de producción del 1,2% por año. [33]
En general, unas condiciones meteorológicas más estables y constantes (sobre todo la velocidad del viento) dan como resultado una eficiencia media un 15% mayor que la de una turbina eólica en condiciones meteorológicas inestables, lo que permite un aumento de la velocidad del viento de hasta un 7% en condiciones estables. Esto se debe a una estela de recuperación más rápida y a un mayor arrastre de flujo que se producen en condiciones de mayor estabilidad atmosférica. Sin embargo, se ha comprobado que las estelas de las turbinas eólicas se recuperan más rápidamente en condiciones atmosféricas inestables en comparación con un entorno estable. [34]
Los distintos materiales tienen distintos efectos sobre la eficiencia de las turbinas eólicas. En un experimento de la Universidad Ege, se construyeron tres turbinas eólicas, cada una con tres aspas de un metro de diámetro, con aspas hechas de diferentes materiales: vidrio y resina epoxi de vidrio/carbono , vidrio/carbono y vidrio/poliéster. Cuando se probaron, los resultados mostraron que los materiales con masas totales más altas tenían un mayor momento de fricción y, por lo tanto, un coeficiente de potencia más bajo. [35]
La velocidad del aire es el factor más importante para la eficiencia de la turbina. Por eso es importante elegir la ubicación adecuada. La velocidad del viento será alta cerca de la costa debido a la diferencia de temperatura entre la tierra y el océano. Otra opción es colocar las turbinas en las crestas de las montañas. Cuanto más alta sea la turbina eólica, mayor será la velocidad del viento en promedio. Un cortavientos también puede aumentar la velocidad del viento cerca de la turbina. [36]
Las turbinas eólicas pueden girar sobre un eje horizontal o vertical, siendo las primeras más antiguas y más comunes. [37] También pueden incluir aspas o no tenerlas. [38] Los diseños verticales del tamaño de un hogar producen menos energía y son menos comunes. [39]
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Las grandes turbinas eólicas de eje horizontal de tres palas (HAWT) con las palas a barlovento de la torre ( es decir , las palas orientadas hacia el viento entrante) producen la abrumadora mayoría de la energía eólica en el mundo hoy en día. [4] Estas turbinas tienen el eje del rotor principal y el generador eléctrico en la parte superior de una torre y deben apuntar hacia el viento. Las turbinas pequeñas se apuntan mediante una veleta simple , mientras que las turbinas grandes generalmente usan un sensor de viento acoplado a un sistema de guiñada. La mayoría tiene una caja de cambios, que convierte la rotación lenta de las palas en una rotación más rápida que es más adecuada para impulsar un generador eléctrico. [40] Algunas turbinas usan un tipo diferente de generador adecuado para una entrada de velocidad de rotación más lenta. Estas no necesitan una caja de cambios y se denominan de accionamiento directo, lo que significa que acoplan el rotor directamente al generador sin caja de cambios en el medio. Si bien los generadores de accionamiento directo con imanes permanentes pueden ser más costosos debido a los materiales de tierras raras que se requieren, estas turbinas sin engranajes a veces se prefieren a los generadores con caja de cambios porque "eliminan el aumentador de velocidad de engranajes, que es susceptible a una carga de par de fatiga acumulada significativa, problemas de confiabilidad relacionados y costos de mantenimiento". [41] También existe el mecanismo de accionamiento directo pseudo, que tiene algunas ventajas sobre el mecanismo de accionamiento directo con imanes permanentes. [42]
La mayoría de las turbinas de eje horizontal tienen sus rotores a barlovento de la torre de apoyo. [43] Se han construido máquinas a favor del viento porque no necesitan un mecanismo adicional para mantenerlas alineadas con el viento. Con vientos fuertes, las palas a favor del viento también pueden diseñarse para que se doblen más que las que están a barlovento, lo que reduce su área de barrido y, por lo tanto, su resistencia al viento, mitigando el riesgo durante los vendavales. A pesar de estas ventajas, se prefieren los diseños a barlovento porque el cambio pulsante en la carga del viento a medida que cada pala pasa detrás de la torre de apoyo puede causar daños a la turbina. [44]
Las turbinas utilizadas en los parques eólicos para la producción comercial de energía eléctrica suelen tener tres palas. Tienen una baja ondulación del par , lo que contribuye a una buena fiabilidad. Las palas suelen ser de color blanco para que las aeronaves las puedan ver durante el día y su longitud oscila entre los 20 y los 80 metros (66 a 262 pies). El tamaño y la altura de las turbinas aumentan año tras año. En la actualidad, se construyen turbinas eólicas marinas de hasta 8 MW y tienen una longitud de pala de hasta 80 metros (260 pies). En 2018 se estaban preparando diseños con entre 10 y 12 MW [45], y se prevé construir un prototipo de "15 MW+" con tres palas de 118 metros (387 pies) en 2022. [ necesita actualización ] [46] La altura media del buje de las turbinas eólicas de eje horizontal es de 90 metros. [47]
Las turbinas eólicas de eje vertical (o VAWT) tienen el eje del rotor principal dispuesto verticalmente. Una ventaja de esta disposición es que la turbina no necesita estar orientada hacia el viento para ser efectiva, [48] lo que es una ventaja en un sitio donde la dirección del viento es muy variable. También es una ventaja cuando la turbina está integrada en un edificio porque es inherentemente menos orientable. Además, el generador y la caja de cambios se pueden colocar cerca del suelo, utilizando un accionamiento directo desde el conjunto del rotor hasta la caja de cambios en el suelo, lo que mejora la accesibilidad para el mantenimiento. Sin embargo, estos diseños producen mucha menos energía promediada a lo largo del tiempo, lo que es un inconveniente importante. [39] [49]
Los diseños de turbinas verticales tienen una eficiencia mucho menor que los diseños horizontales estándar. [50] Las desventajas clave incluyen la velocidad de rotación relativamente baja con el consiguiente mayor torque y, por lo tanto, mayor costo del tren de transmisión, el coeficiente de potencia inherentemente menor , la rotación de 360 grados del perfil aerodinámico dentro del flujo de viento durante cada ciclo y, por lo tanto, la carga altamente dinámica en la pala, el torque pulsante generado por algunos diseños de rotor en el tren de transmisión y la dificultad de modelar el flujo de viento con precisión y, por lo tanto, los desafíos de analizar y diseñar el rotor antes de fabricar un prototipo. [51]
Cuando se monta una turbina en el tejado de un edificio, generalmente éste redirige el viento hacia el tejado, lo que puede duplicar la velocidad del viento en la turbina. Si la altura de una torre de turbina montada en el tejado es aproximadamente el 50 % de la altura del edificio, se encuentra cerca del nivel óptimo para obtener la máxima energía eólica y la mínima turbulencia eólica. Si bien las velocidades del viento en el entorno construido son generalmente mucho más bajas que en los sitios rurales expuestos, [52] [53] el ruido puede ser un problema y una estructura existente puede no resistir adecuadamente la tensión adicional.
Los subtipos del diseño de eje vertical incluyen:
Las turbinas "batidoras de huevos" o turbinas Darrieus recibieron su nombre en honor al inventor francés Georges Darrieus. [54] Tienen una buena eficiencia, pero producen una gran ondulación del par y una tensión cíclica en la torre, lo que contribuye a una baja confiabilidad. Por lo general, también requieren una fuente de energía externa o un rotor Savonius adicional para comenzar a girar, porque el par de arranque es muy bajo. La ondulación del par se reduce utilizando tres o más palas, lo que da como resultado una mayor solidez del rotor. La solidez se mide por el área de la pala dividida por el área del rotor.
Un subtipo de turbina Darrieus con álabes rectos, en lugar de curvados. La variedad cicloturbina tiene un paso variable para reducir la pulsación del par y se pone en marcha por sí sola. [55] Las ventajas del paso variable son un par de arranque elevado; una curva de par amplia y relativamente plana; un coeficiente de rendimiento más alto ; un funcionamiento más eficiente en vientos turbulentos; y una relación de velocidad de las álabes más baja, lo que reduce las tensiones de flexión de las álabes. Se pueden utilizar álabes rectos, en V o curvados. [56]
Se trata de dispositivos de tipo arrastre con dos (o más) palas que se utilizan en anemómetros, respiraderos Flettner (que se ven habitualmente en los techos de autobuses y furgonetas) y en algunas turbinas de energía de baja eficiencia y alta fiabilidad. Siempre se ponen en marcha por sí solos si hay al menos tres palas. [57]
El Savonius retorcido es un Savonius modificado, con palas helicoidales largas para proporcionar un par motor suave. Se utiliza a menudo como turbina eólica en tejados e incluso se ha adaptado para barcos . [58]
Las turbinas eólicas aerotransportadas consisten en alas o una pequeña aeronave atada al suelo. [59] Son útiles para alcanzar vientos más rápidos que los que pueden operar las turbinas tradicionales. Hay prototipos en funcionamiento en África oriental. [60]
Se trata de turbinas eólicas marinas que se apoyan sobre una plataforma flotante. [61] Al flotar, se pueden instalar en aguas más profundas, lo que permite que haya más de ellas. Esto también permite que estén más alejadas de la vista desde la tierra y, por lo tanto, que el público se preocupe menos por su atractivo visual. [62]
El diseño de una turbina eólica es un equilibrio cuidadoso entre costo, producción de energía y vida útil por fatiga.
Las turbinas eólicas convierten la energía eólica en energía eléctrica para su distribución. Las turbinas de eje horizontal convencionales se pueden dividir en tres componentes:
Una turbina eólica de 1,5 MW de un tipo que se ve con frecuencia en los Estados Unidos tiene una torre de 80 metros (260 pies) de altura. El conjunto del rotor (palas y buje) mide unos 80 metros (260 pies) de diámetro. [68] La góndola , que contiene el generador, mide 15,24 metros (50,0 pies) y pesa alrededor de 300 toneladas. [69]
Debido a problemas de transmisión de datos, el control de la salud estructural de las turbinas eólicas se realiza habitualmente utilizando varios acelerómetros y galgas extensométricas acopladas a la góndola para controlar la caja de cambios y el equipo. En la actualidad, se utilizan la correlación de imágenes digitales y la estereofotogrametría para medir la dinámica de las palas de las turbinas eólicas. Estos métodos suelen medir el desplazamiento y la deformación para identificar la ubicación de los defectos. Las características dinámicas de las turbinas eólicas no giratorias se han medido utilizando la correlación de imágenes digitales y la fotogrametría. [70] El seguimiento de puntos tridimensionales también se ha utilizado para medir la dinámica de rotación de las turbinas eólicas. [71]
En general, la eficiencia aumenta con la longitud de las palas de la turbina. Las palas deben ser rígidas, fuertes, duraderas, ligeras y resistentes a la fatiga. [72] Los materiales con estas propiedades incluyen compuestos como el poliéster y el epoxi, mientras que la fibra de vidrio y la fibra de carbono se han utilizado para el refuerzo. [73] La construcción puede implicar el laminado manual o el moldeo por inyección. La modernización de las turbinas existentes con palas más grandes reduce la tarea y los riesgos del rediseño. [74]
En 2021, la pala más larga medía 115,5 m (379 pies) y producía 15 MW. [75]
Las palas suelen durar alrededor de 20 años, la vida útil típica de una turbina eólica. [76]
A continuación se describen los materiales comúnmente utilizados en las palas de turbinas eólicas.
La rigidez de los materiales compuestos está determinada por la rigidez de las fibras y su contenido de volumen. Normalmente, las fibras de vidrio E se utilizan como refuerzo principal en los materiales compuestos. Normalmente, los materiales compuestos de vidrio/epoxi para palas de turbinas eólicas contienen hasta un 75 % de vidrio en peso. Esto aumenta la rigidez y la resistencia a la tracción y a la compresión. Un material compuesto prometedor es la fibra de vidrio con composiciones modificadas como el vidrio S, el vidrio R, etc. Otras fibras de vidrio desarrolladas por Owens Corning son ECRGLAS, Advantex y WindStrand. [77]
La fibra de carbono tiene mayor resistencia a la tracción, mayor rigidez y menor densidad que la fibra de vidrio. Un candidato ideal para estas propiedades es la tapa del larguero, un elemento estructural de una pala que experimenta una alta carga de tracción. [73] Una pala de fibra de vidrio de 100 metros (330 pies) podría pesar hasta 50 toneladas (110.000 libras), mientras que el uso de fibra de carbono en el larguero ahorra entre un 20% y un 30% de peso, aproximadamente 15 toneladas (33.000 libras). [78]
En lugar de fabricar refuerzos para las palas de las turbinas eólicas a partir de vidrio puro o carbono puro, los diseños híbridos sacrifican peso por coste. Por ejemplo, para una pala de 8 metros (26 pies), un reemplazo total por fibra de carbono ahorraría un 80% de peso pero aumentaría los costes en un 150%, mientras que un reemplazo del 30% ahorraría un 50% de peso y aumentaría los costes en un 90%. Los materiales de refuerzo híbridos incluyen vidrio E/carbono y vidrio E/aramida. La pala más larga actual de LM Wind Power está hecha de compuestos híbridos de carbono/vidrio. Se necesita más investigación sobre la composición óptima de los materiales [79]
La adición de pequeñas cantidades (0,5 % en peso) de nanorrefuerzos ( nanotubos de carbono o nanoarcilla) en la matriz polimérica de los compuestos, el encolado de las fibras o las capas interlaminares puede mejorar la resistencia a la fatiga, la resistencia al corte o a la compresión y la tenacidad a la fractura de los compuestos entre un 30 % y un 80 %. Las investigaciones también han demostrado que la incorporación de pequeñas cantidades de nanotubos de carbono (CNT) puede aumentar la vida útil hasta un 1500 %. [80]
En 2019 [actualizar], el costo de capital de una turbina eólica era de alrededor de 1 millón de dólares por megavatio de capacidad nominal , aunque esta cifra varía según la ubicación; por ejemplo, dichas cifras oscilaban entre medio millón en América del Sur y 1,7 millones de dólares en Asia. [81]
En el caso de las palas de turbinas eólicas, si bien el costo del material es mucho mayor para las palas híbridas de fibra de vidrio y carbono que para las palas hechas completamente de fibra de vidrio, los costos de mano de obra pueden ser menores. El uso de fibra de carbono permite diseños más simples que utilizan menos materia prima. El principal proceso de fabricación en la fabricación de palas es la superposición de capas. Las palas más delgadas permiten reducir el número de capas y, por lo tanto, la mano de obra y, en algunos casos, equivalen al costo de la mano de obra para las palas de fibra de vidrio. [82]
En alta mar los costes de instalación son significativamente más elevados. [83]
Las piezas de las turbinas eólicas, aparte de las palas del rotor (incluido el buje del rotor, la caja de cambios, el marco y la torre), están hechas en gran parte de acero. Las turbinas más pequeñas (así como las turbinas Enercon de escala de megavatios) han comenzado a utilizar aleaciones de aluminio para estos componentes con el fin de hacerlas más ligeras y eficientes. Esta tendencia puede crecer si se pueden mejorar las propiedades de fatiga y resistencia. El hormigón pretensado se ha utilizado cada vez más como material de la torre, pero aún requiere mucho acero de refuerzo para cumplir con los requisitos de resistencia de la turbina. Además, las cajas de cambios elevadoras están siendo reemplazadas cada vez más por generadores de velocidad variable, que requieren materiales magnéticos. [72]
Las turbinas modernas utilizan un par de toneladas de cobre para generadores, cables y demás. [84] A partir de 2018 [actualizar], la producción mundial de turbinas eólicas utiliza 450.000 toneladas (990 millones de libras) de cobre por año. [85]
Un estudio de 2015 sobre las tendencias y los requisitos de consumo de materiales para la energía eólica en Europa concluyó que las turbinas más grandes tienen un mayor consumo de metales preciosos pero un menor aporte de material por kW generado. El consumo y las existencias de materiales en ese momento se compararon con los materiales de entrada para varios tamaños de sistemas terrestres. En todos los países de la UE, las estimaciones para 2020 duplicaron los valores consumidos en 2009. Estos países necesitarían ampliar sus recursos para satisfacer la demanda estimada para 2020. Por ejemplo, la UE tenía el 3% del suministro mundial de fluorita y necesitaría el 14% para 2020. A nivel mundial, los principales países exportadores son Sudáfrica, México y China. Esto es similar con otros materiales críticos y valiosos necesarios para los sistemas energéticos, como el magnesio, la plata y el indio. Los niveles de reciclaje de estos materiales son muy bajos y centrarse en eso podría aliviar el suministro. Dado que la mayoría de estos valiosos materiales también se utilizan en otras tecnologías emergentes, como los diodos emisores de luz (LED), la energía fotovoltaica (PV) y las pantallas de cristal líquido (LCD), se espera que su demanda crezca. [86]
Un estudio de 2011 del Servicio Geológico de Estados Unidos estimó los recursos necesarios para cumplir con el compromiso de Estados Unidos de suministrar el 20% de su electricidad a partir de energía eólica para 2030. No consideró los requisitos de turbinas pequeñas o turbinas marinas porque no eran comunes en 2008, cuando se realizó el estudio. Los materiales comunes como el hierro fundido, el acero y el hormigón aumentarían entre un 2% y un 3% en comparación con 2008. Se requerirían entre 110.000 y 115.000 toneladas métricas de fibra de vidrio por año, un aumento del 14%. El uso de metales de tierras raras no aumentaría mucho en comparación con la oferta disponible, sin embargo, deben tenerse en cuenta los metales de tierras raras que también se utilizan para otras tecnologías, como las baterías, cuya demanda mundial está aumentando. La tierra necesaria sería de 50.000 kilómetros cuadrados en tierra y 11.000 en alta mar. Esto no sería un problema en Estados Unidos debido a su vasta superficie y porque la misma tierra se puede utilizar para la agricultura. Un desafío mayor sería la variabilidad y transmisión a zonas de alta demanda. [87]
Los imanes permanentes para generadores de turbinas eólicas contienen tierras raras como neodimio (Nd), praseodimio (Pr), terbio (Tb) y disprosio (Dy). Los sistemas que utilizan turbinas de accionamiento directo magnético requieren mayores cantidades de tierras raras. Por lo tanto, un aumento en la fabricación de turbinas eólicas aumentaría la demanda de estos recursos. Para 2035, se estima que la demanda de Nd aumentará entre 4.000 y 18.000 toneladas y la de Dy entre 200 y 1.200 toneladas. Estos valores representan entre un cuarto y la mitad de la producción actual. Sin embargo, estas estimaciones son muy inciertas porque las tecnologías se están desarrollando rápidamente. [88]
La dependencia de los minerales de tierras raras para los componentes ha generado riesgos de gastos y volatilidad de precios, ya que China ha sido el principal productor de minerales de tierras raras (96% en 2009) y estaba reduciendo sus cuotas de exportación. [87] Sin embargo, en los últimos años, otros productores han aumentado la producción y China ha aumentado las cuotas de exportación, lo que ha llevado a una mayor oferta, menores costos y una mayor viabilidad del uso a gran escala de generadores de velocidad variable. [89]
La fibra de vidrio es el material de refuerzo más común. Su demanda ha crecido debido al crecimiento de la construcción, el transporte y las turbinas eólicas. Su mercado global podría alcanzar los 17.400 millones de dólares en 2024, en comparación con los 8.500 millones de dólares de 2014. En 2014, Asia Pacífico produjo más del 45% del mercado; ahora China es el mayor productor. La industria recibe subsidios del gobierno chino que le permiten exportar más barato a los EE. UU. y Europa. Sin embargo, las guerras de precios han llevado a medidas antidumping como los aranceles a la fibra de vidrio china. [90]
Algunas localidades han explotado la capacidad de llamar la atención de las turbinas eólicas colocándolas en exhibición pública, ya sea con centros de visitantes alrededor de sus bases o con áreas de observación más alejadas. [91] Las turbinas eólicas son generalmente de diseño convencional de eje horizontal, de tres aspas y generan energía para alimentar redes eléctricas, pero también cumplen funciones no convencionales de demostración de tecnología, relaciones públicas y educación. [92]
Las turbinas eólicas pequeñas se pueden utilizar para una variedad de aplicaciones, incluidas residencias conectadas o no a la red eléctrica, torres de telecomunicaciones, plataformas marinas, escuelas y clínicas rurales, monitoreo remoto y otros fines que requieren energía donde no hay red eléctrica o donde la red es inestable. Las turbinas eólicas pequeñas pueden ser tan pequeñas como un generador de cincuenta vatios para uso en botes o caravanas . Las unidades híbridas de energía solar y eólica se utilizan cada vez más para la señalización de tráfico, particularmente en áreas rurales, ya que evitan la necesidad de colocar cables largos desde el punto de conexión a la red eléctrica más cercano. [93] El Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de los EE. UU. define las turbinas eólicas pequeñas como aquellas menores o iguales a 100 kilovatios. [94] Las unidades pequeñas a menudo tienen generadores de accionamiento directo, salida de corriente continua , aspas aeroelásticas y cojinetes de por vida y usan una veleta para apuntar hacia el viento. [95]
En la mayoría de los parques eólicos horizontales, se suele mantener un espaciamiento de aproximadamente 6 a 10 veces el diámetro del rotor. Sin embargo, para parques eólicos grandes, distancias de aproximadamente 15 diámetros de rotor deberían ser más económicas, teniendo en cuenta los costos típicos de las turbinas eólicas y del terreno. Esta conclusión se ha alcanzado mediante una investigación [96] realizada por Charles Meneveau de la Universidad Johns Hopkins [97] y Johan Meyers de la Universidad de Lovaina en Bélgica, basada en simulaciones por computadora [98] que tienen en cuenta las interacciones detalladas entre las turbinas eólicas (estelas), así como con toda la capa límite atmosférica turbulenta.
Una investigación reciente de John Dabiri de Caltech sugiere que las turbinas eólicas verticales pueden ubicarse mucho más cerca unas de otras siempre que se cree un patrón de rotación alterno que permita que las aspas de las turbinas vecinas se muevan en la misma dirección a medida que se aproximan una a la otra. [99]
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Las turbinas eólicas necesitan un mantenimiento regular para seguir siendo fiables y estar disponibles . En el mejor de los casos, las turbinas están disponibles para generar energía el 98% del tiempo. [100] [101] También se ha descubierto que la acumulación de hielo en las palas de las turbinas reduce en gran medida la eficiencia de las turbinas eólicas, lo que es un problema común en climas fríos donde se producen eventos de formación de hielo en las nubes y lluvia helada . [102] La descongelación se realiza principalmente mediante calentamiento interno o, en algunos casos, mediante helicópteros que rocían agua tibia limpia sobre las palas. [103]
Las turbinas modernas suelen tener una pequeña grúa a bordo para levantar herramientas de mantenimiento y componentes menores. Sin embargo, los componentes grandes y pesados, como generadores, cajas de engranajes, aspas, etc., rara vez se reemplazan, y en esos casos se necesita una grúa externa para levantar cargas pesadas . Si la turbina tiene un camino de acceso difícil, se puede levantar una grúa contenedorizada con la grúa interna para proporcionar una elevación más pesada. [104]
La instalación de nuevas turbinas eólicas puede ser controvertida. Una alternativa es la repotenciación, en la que las turbinas eólicas existentes se sustituyen por otras más grandes y potentes, a veces en menor número, pero manteniendo o aumentando la capacidad. [105]
Algunas turbinas eólicas que están fuera de uso se reciclan o reutilizan. [106] [107] El 85% de los materiales de las turbinas se reutilizan o reciclan fácilmente, pero las palas, hechas de un material compuesto, son más difíciles de procesar. [108]
El interés por reciclar las palas varía en los distintos mercados y depende de la legislación sobre residuos y de la economía local. Un desafío en el reciclaje de las palas está relacionado con el material compuesto, que está hecho de fibra de vidrio con fibras de carbono en resina epoxi, que no se puede remodelar para formar nuevos compuestos. [109]
Los desechos de los parques eólicos son menos tóxicos que otros tipos de basura. Las palas de las turbinas eólicas representan solo una fracción de los desechos totales en los EE. UU., según la asociación comercial de la industria eólica , American Wind Energy Association . [110]
Varias empresas de servicios públicos, empresas emergentes e investigadores están desarrollando métodos para reutilizar o reciclar las palas. [108] El fabricante Vestas ha desarrollado una tecnología que puede separar las fibras de la resina, lo que permite su reutilización. [111] En Alemania, las palas de las turbinas eólicas se reciclan comercialmente como parte de una mezcla de combustible alternativo para una fábrica de cemento. [108] En el Reino Unido, un proyecto probará el corte de las palas en tiras para su uso como barras de refuerzo en el hormigón , con el objetivo de reducir las emisiones en la construcción de High Speed 2. [ 112] Las palas de turbinas eólicas usadas se han reciclado incorporándolas como parte de las estructuras de soporte dentro de puentes peatonales en Polonia [113] e Irlanda. [114]
Las turbinas eólicas son una de las fuentes de energía renovable más económicas, junto con los paneles solares. [115] A medida que la tecnología necesaria para las turbinas eólicas siguió mejorando, los precios también disminuyeron. Además, actualmente no existe un mercado competitivo para la energía eólica (aunque puede que lo haya en el futuro), porque el viento es un recurso natural de libre acceso, la mayor parte del cual no se ha explotado. [116] El principal coste de las turbinas eólicas pequeñas es el proceso de compra e instalación, que ronda entre 48.000 y 65.000 dólares por instalación. Por lo general, la cantidad total de energía cosechada supera el coste de las turbinas. [117]
Las turbinas eólicas proporcionan una fuente de energía limpia, [118] utilizan poca agua, [2] no emiten gases de efecto invernadero ni productos de desecho durante su funcionamiento. Se pueden eliminar más de 1.400 toneladas (1.500 toneladas cortas) de dióxido de carbono por año utilizando una turbina de un megavatio en lugar de un megavatio de energía procedente de un combustible fósil. [119]
Las turbinas eólicas pueden ser muy grandes, alcanzando más de 260 m (850 pies) de altura con aspas de 110 m (360 pies) de largo, [120] y la gente a menudo se ha quejado de su impacto visual.
El impacto ambiental de la energía eólica incluye efectos sobre la vida silvestre, pero puede mitigarse si se implementan las estrategias adecuadas. [121] Miles de aves, incluidas especies raras, han muerto por las aspas de las turbinas eólicas, [122] aunque las turbinas eólicas contribuyen de manera relativamente insignificante a la mortalidad aviar antropogénica. Los parques eólicos y las plantas de energía nuclear son responsables de entre 0,3 y 0,4 muertes de aves por gigavatio-hora (GWh) de electricidad, mientras que las centrales eléctricas de combustibles fósiles son responsables de aproximadamente 5,2 muertes por GWh. En comparación, los generadores convencionales a carbón contribuyen significativamente más a la mortalidad de aves. [123] Un estudio sobre las poblaciones de aves registradas en los Estados Unidos de 2000 a 2020 encontró que la presencia de turbinas eólicas no tuvo un efecto significativo en las cifras de población de aves. [124]
La energía que se aprovecha con las turbinas eólicas es variable y no es una fuente de energía "despachable"; su disponibilidad depende de si sopla el viento, no de si se necesita electricidad. Las turbinas se pueden colocar en crestas o acantilados para maximizar el acceso al viento que tienen, pero esto también limita los lugares donde se pueden colocar. [116] De esta manera, la energía eólica no es una fuente de energía particularmente confiable. Sin embargo, puede formar parte de la combinación energética , que también incluye energía de otras fuentes. También se está desarrollando tecnología para almacenar el exceso de energía, que luego puede compensar cualquier déficit en los suministros. [125]
Las turbinas eólicas tienen luces intermitentes que advierten a las aeronaves para evitar colisiones. [126] Los residentes que viven cerca de parques eólicos, especialmente aquellos en áreas rurales, se han quejado de que las luces intermitentes son una forma molesta de contaminación lumínica . [126] Un enfoque de mitigación de la luz implica sistemas de iluminación de detección de aeronaves (ADLS) por los cuales las luces se encienden solo cuando el radar del ADLS detecta aeronaves dentro de los umbrales de altitud y distancia. [126]
Ver también Lista de los aerogeneradores más potentes
La capacidad de energía eólica mundial alcanza los 650,8 GW, se agregaron 59,7 GW en 2019
{{cite web}}: CS1 maint: URL no apta ( enlace )Estos funcionan... soplando aire caliente en las palas del rotor para que el hielo se derrita, o utilizando cables calefactores en el borde delantero de las palas del rotor donde se pega el hielo. No se añaden productos químicos al agua, a diferencia del deshielo de los aviones, que a menudo implica un uso extensivo de productos químicos. El precio de deshielo de una turbina eólica equivale al valor de dos días de producción de la turbina.
Una turbina eólica terrestre recién construida hoy produce alrededor de nueve gramos de CO2 por cada kilovatio hora (kWh) que genera ... una nueva planta marina en el mar emite siete gramos de CO2 por kWh ... las plantas de energía solar emiten 33 gramos de CO2 por cada kWh generado ... el gas natural produce 442 gramos de CO2 por kWh, la energía a partir de carbón duro 864 gramos y la energía a partir de lignito, o carbón pardo, 1034 gramos ... la energía nuclear representa alrededor de 117 gramos de CO2 por kWh, considerando las emisiones causadas por la minería de uranio y la construcción y operación de reactores nucleares.
