Aerogenerador contrarrotativo- Aerogenerador de eje vertical marino
- Aerogenerador de poste de luz
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Un aerogenerador 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, a los que se añadían 60 GW 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 costos de energía y reducir la dependencia de los combustibles fósiles . Un estudio afirmó que, en 2009, [actualizar]la energía eólica tenía las "emisiones relativas más bajas de gases de efecto invernadero, las menores demandas de consumo de agua y los impactos sociales más favorables" en comparación con las fuentes de energía fotovoltaica , hidráulica , 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 mientras venden 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 el horizontal es el más común. [4]
El molino de viento del Héroe de Alejandría (10-70 d.C.) marca uno de los primeros casos registrados de energía eólica impulsando una máquina. [5] Sin embargo, las primeras plantas de energía eólica prácticas conocidas se construyeron en Sistán , una provincia oriental de Persia (ahora Irán), a partir del siglo VII. Estos " Panemone " eran molinos de viento de eje vertical, que tenían largos ejes de transmisión verticales con palas rectangulares. [6] Hechos de seis a doce velas cubiertas con esteras de caña o tela, estos molinos de viento se usaban para moler granos o extraer agua, y se usaban en las industrias de molienda y 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 que los cruzados alemanes llevaron sus habilidades para fabricar molinos de viento a Siria alrededor de 1190. [8] En el siglo XIV, los molinos de viento holandeses ya se utilizaban para drenar áreas del delta del Rin . Las turbinas eólicas avanzadas fueron descritas por el inventor croata Fausto Veranzio en su libro "Machinae Novae" (1595), describió turbinas eólicas de eje vertical con palas curvas o en forma de V.
La primera turbina eólica generadora de electricidad fue instalada por el austriaco Josef Friedländer en la Exposición Eléctrica Internacional de Viena en 1883. Se trataba de un molino de viento Halladay para accionar una dinamo . El “motor eólico” Halladay de 22 pies (6,6 metros) de diámetro de Friedländer fue suministrado por US Wind Engine & Pump Co. de Batavia , Illinois . El molino de viento de cinco caballos accionaba una dinamo a nivel del suelo que alimentaba con electricidad 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 ocuparon un lugar destacado en la entrada norte de la sala principal de exposiciones (" 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 más tarde, el inventor estadounidense Charles F. Brush pudo construir la primera turbina eólica operada automáticamente después de consultar a profesores universitarios locales y a 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 consideraba 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 alrededor de 2.500 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 funcionando en los Estados Unidos desde 5 kilovatios (kW) hasta 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 zonas. [dieciséis]
Un precursor de los modernos generadores eólicos de eje horizontal estuvo en servicio en Yalta , URSS, en 1931. 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 que tenía un factor de capacidad anual del 32 por ciento, no muy diferente de las máquinas eólicas actuales. [17]
En el otoño de 1941, la primera turbina eólica de megavatios 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 palas se rompiera. [18] La unidad no fue reparada debido a la escasez de materiales durante la guerra. [19]
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] [20]
Sin embargo, a principios de la década de 1970, las protestas antinucleares en Dinamarca estimularon a los mecánicos artesanales a desarrollar microturbinas de 22 kW a pesar del declive de la industria. [21] La organización de los propietarios en asociaciones y cooperativas condujo al cabildeo del gobierno y de las empresas de servicios públicos y proporcionó incentivos para turbinas más grandes durante la década de 1980 y posteriormente. Activistas locales en Alemania, fabricantes incipientes de turbinas en España y grandes inversores en Estados Unidos a principios de los años 1990 presionaron para que se adoptaran políticas que estimularan la industria en esos países. [22] [23] [24]
Se ha argumentado que ampliar el 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 descartada críticamente por no transmitir cómo la mayoría de las turbinas eólicas no utilizan imanes permanentes y por subestimar el poder de los incentivos económicos para ampliar la producción de estos minerales. [25]
La densidad de energía eólica (WPD) es una medida cuantitativa de la energía eólica disponible en cualquier lugar. Es la potencia media anual disponible por metro cuadrado de área barrida de una turbina, y se calcula para diferentes alturas sobre el suelo. El cálculo de la densidad de energía eólica incluye el efecto de la velocidad del viento y la densidad del aire. [26]
Los aerogeneradores se clasifican según la velocidad del viento para la que están diseñados, de clase I a clase III, siendo de la A a la C la intensidad de la turbulencia del viento. [27]
La conservación de masa requiere que la cantidad de aire que entra y sale de una turbina sea igual. En consecuencia, la ley de Betz da la extracción máxima alcanzable de energía eólica por una turbina eólica como 16 ⁄ 27 (59,3%) de la velocidad a la que la energía cinética del aire llega a la turbina. [28]
La potencia máxima teórica 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 máxima teórica de salida P es:
donde ρ es la densidad del aire .
La eficiencia del viento al rotor (incluida la fricción y la resistencia de las palas del rotor ) se encuentran entre los factores que afectan el precio final de la energía eólica. [29] Otras ineficiencias, como las pérdidas en la caja de cambios , las pérdidas en el generador y el convertidor, reducen la potencia entregada por una turbina eólica. Para proteger los componentes del desgaste excesivo, la potencia extraída se mantiene constante por encima de la velocidad de funcionamiento 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 Betz de energía extraíble del viento, a la velocidad operativa nominal. [30] [31]
La eficiencia puede disminuir ligeramente con el tiempo, una de las razones principales es el polvo y los cadáveres de insectos en las palas, que alteran el perfil aerodinámico y esencialmente reducen la relación sustentación-arrastre del perfil aerodinámico . El análisis de 3.128 turbinas eólicas de más de 10 años en Dinamarca mostró que la mitad de las turbinas no experimentaron ninguna disminución, mientras que la otra mitad experimentó una disminución de la producción del 1,2% anual. [32]
En general, condiciones climáticas más estables y constantes (sobre todo la velocidad del viento) dan como resultado un promedio de un 15% más de eficiencia que la de una turbina eólica en condiciones climáticas inestables, permitiendo así un aumento de hasta un 7% en la velocidad del viento 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 descubierto que las estelas de las turbinas eólicas se recuperan más rápidamente en condiciones atmosféricas inestables que en un entorno estable. [33]
Los diferentes 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 palas con un diámetro de un metro, con palas hechas de diferentes materiales: vidrio y epoxi vidrio/carbono , vidrio/carbono y vidrio/poliéster. Los resultados de las pruebas mostraron que los materiales con masas totales más altas tenían un momento de fricción mayor y, por lo tanto, un coeficiente de potencia más bajo. [34]
La velocidad del aire es el principal factor que contribuye a la eficiencia de la turbina. De ahí la importancia de 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 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. [35]
Las turbinas eólicas pueden girar alrededor de un eje horizontal o vertical, siendo el primero el más antiguo y el más común. [36] También pueden incluir cuchillas o no tener cuchillas. [37] Los diseños verticales del tamaño de un hogar producen menos energía y son menos comunes. [38]
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Grandes turbinas eólicas de tres palas y eje horizontal (HAWT), con las palas a barlovento de la torre, producen la inmensa mayoría de la energía eólica del mundo en la actualidad. [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 son apuntadas por una simple veleta , mientras que las turbinas grandes generalmente utilizan un sensor de viento junto con un sistema de orientación. La mayoría tiene una caja de cambios, que convierte la rotación lenta de las palas en una rotación más rápida, más adecuada para accionar un generador eléctrico. [39] Algunas turbinas utilizan un tipo diferente de generador adecuado para una entrada de velocidad de rotación más lenta. Estos no necesitan caja de cambios y se denominan de transmisión directa, lo que significa que acoplan el rotor directamente al generador sin ninguna caja de cambios de por medio. Si bien los generadores de accionamiento directo con imanes permanentes pueden ser más costosos debido a los materiales de tierras raras necesarios, estas turbinas sin engranajes a veces se prefieren a los generadores con caja de engranajes porque "eliminan el aumentador de velocidad del engranaje, que es susceptible a una carga de par de fatiga acumulada significativa, relacionada con la confiabilidad". problemas y costos de mantenimiento." [40] También existe el mecanismo de accionamiento pseudodirecto, que tiene algunas ventajas sobre el mecanismo de accionamiento directo de imán permanente. [41]
La mayoría de las turbinas de eje horizontal tienen sus rotores a barlovento de la torre de soporte. [42] Se han construido máquinas a favor del viento porque no necesitan un mecanismo adicional para mantenerlas en línea con el viento. Con vientos fuertes, las palas a favor del viento también pueden diseñarse para doblarse más que las de barlovento, lo que reduce su área de barrido y, por tanto, su resistencia al viento, mitigando el riesgo durante los vendavales. A pesar de estas ventajas, se prefieren los diseños contra el viento, porque el cambio pulsante en la carga del viento cuando cada pala pasa detrás de la torre de soporte puede causar daños a la turbina. [43]
Las turbinas utilizadas en los parques eólicos para la producción comercial de energía eléctrica suelen ser de tres palas. Tienen una ondulación de par baja , lo que contribuye a una buena confiabilidad. Las palas suelen ser de color blanco para la visibilidad diurna de los aviones y su longitud varía de 20 a 80 metros (66 a 262 pies). El tamaño y la altura de las turbinas aumentan año tras año. En la actualidad , las turbinas eólicas marinas se construyen hasta 8 MW y tienen una longitud de pala de hasta 80 metros (260 pies). En 2018 se estaban preparando diseños con 10 a 12 MW, [44] y se planea construir un prototipo de "15 MW+" con tres palas de 118 metros (387 pies) en 2022. [45] La altura promedio del eje del viento de eje horizontal turbinas es de 90 metros. [46]
Las turbinas eólicas de eje vertical (o VAWT) tienen el eje del rotor principal dispuesto verticalmente. Una ventaja de esta disposición es que no es necesario que la turbina apunte hacia el viento para que sea efectiva [47] , lo cual 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 a la caja de cambios terrestre, mejorando la accesibilidad para el mantenimiento. Sin embargo, estos diseños producen mucha menos energía en promedio a lo largo del tiempo, lo cual es un gran inconveniente. [38] [48]
Los diseños de turbinas verticales tienen una eficiencia mucho menor que los diseños horizontales estándar. [49] Las desventajas clave incluyen la velocidad de rotación relativamente baja con el consiguiente mayor par y , por lo tanto, un mayor costo del tren de transmisión, el coeficiente de potencia inherentemente más bajo , 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 par pulsante generado por algunos diseños de rotor en el tren de transmisión y la dificultad de modelar el flujo del viento con precisión y, por lo tanto, los desafíos de analizar y diseñar el rotor antes de fabricar un prototipo. [50]
Cuando se monta una turbina en un tejado, el edificio generalmente redirige el viento sobre el tejado y esto 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, está cerca del óptimo para obtener la máxima energía eólica y la mínima turbulencia del viento. Si bien las velocidades del viento dentro del entorno construido son generalmente mucho más bajas que en los sitios rurales expuestos, [51] [52] el ruido puede ser una preocupación y una estructura existente puede no resistir adecuadamente el estrés adicional.
Los subtipos del diseño de eje vertical incluyen:
Las turbinas "Eggbeater", o turbinas Darrieus, llevan el nombre del inventor francés Georges Darrieus. [53] Tienen buena eficiencia, pero producen una gran ondulación del par y tensión cíclica en la torre, lo que contribuye a una confiabilidad deficiente. Generalmente también requieren alguna 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 mediante el uso de 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 palas rectas, en lugar de curvas. La variedad de cicloturbina tiene paso variable para reducir la pulsación del par y es de arranque automático. [54] Las ventajas del paso variable son: alto par de arranque; una curva de par amplia y relativamente plana; un mayor coeficiente de rendimiento ; operación más eficiente en vientos turbulentos; y una relación de velocidad de la hoja más baja que reduce las tensiones de flexión de la hoja. Se pueden utilizar hojas rectas, en V o curvas. [55]
Se trata de dispositivos de tipo arrastre con dos (o más) palas que se utilizan en anemómetros, respiraderos Flettner (que se ven comúnmente en los techos de autobuses y furgonetas) y en algunas turbinas de potencia de alta confiabilidad y baja eficiencia. Siempre se inician automáticamente si hay al menos tres cucharadas. [56]
Twisted Savonius es un Savonius modificado, con palas helicoidales largas para proporcionar un torque suave. Se utiliza a menudo como turbina eólica en los tejados e incluso se ha adaptado para barcos . [57]
Las turbinas eólicas aerotransportadas constan de alas o de un pequeño avión atado al suelo. [58] Son útiles para alcanzar vientos más rápidos por encima de los cuales pueden operar las turbinas tradicionales. Hay prototipos en funcionamiento en el este de África. [59]
Se trata de aerogeneradores marinos que se apoyan en una plataforma flotante. [60] Al hacerlos flotar, se pueden instalar en aguas más profundas, lo que permite que haya más. Esto también les permite estar más lejos de la vista desde tierra y, por lo tanto, menos preocupación pública por el atractivo visual. [61]
El diseño de una turbina eólica es un cuidadoso equilibrio entre costo, producción de energía y vida útil.
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 cubo) mide unos 80 metros (260 pies) de diámetro. [67] La góndola, que contiene el generador, mide 15,24 metros (50,0 pies) y pesa alrededor de 300 toneladas. [68]
Debido a problemas de transmisión de datos, el monitoreo del estado estructural de las turbinas eólicas generalmente se realiza utilizando varios acelerómetros y galgas extensométricas conectados a la góndola para monitorear la caja de cambios y el equipo. Actualmente, la correlación de imágenes digitales y la estereofotogrametría se utilizan para medir la dinámica de las palas de las turbinas eólicas. Estos métodos suelen medir el desplazamiento y la tensión para identificar la ubicación de los defectos. Se han medido las características dinámicas de turbinas eólicas no giratorias mediante fotogrametría y correlación de imágenes digitales. [69] El seguimiento de puntos tridimensionales también se ha utilizado para medir la dinámica de rotación de las turbinas eólicas. [70]
Generalmente, la eficiencia aumenta junto con la longitud de las palas de la turbina. Las palas deben ser rígidas, fuertes, duraderas, ligeras y resistentes a la fatiga. [71] Los materiales con estas propiedades incluyen compuestos como poliéster y epoxi, mientras que para el refuerzo se han utilizado fibra de vidrio y fibra de carbono. [72] La construcción puede implicar laminado manual o moldeo por inyección. Actualizar las turbinas existentes con palas más grandes reduce la tarea y los riesgos del rediseño. [73]
En 2021, la pala más larga tenía 115,5 m (379 pies) y producía 15 MW. [74]
Las palas suelen durar unos 20 años, la vida útil típica de un aerogenerador. [75]
Los materiales comúnmente utilizados en las palas de las turbinas eólicas se describen a continuación.
La rigidez de los compuestos está determinada por la rigidez de las fibras y su contenido en volumen. Normalmente, las fibras de vidrio E se utilizan como refuerzo principal en los compuestos. Normalmente, los compuestos de vidrio/epóxido para palas de turbinas eólicas contienen hasta un 75% de vidrio en peso. Esto aumenta la rigidez, la resistencia a la tracción y a la compresión. Un material compuesto prometedor es la fibra de vidrio con composiciones modificadas como vidrio S, vidrio R, etc. Otras fibras de vidrio desarrolladas por Owens Corning son ECRGLAS, Advantex y WindStrand. [76]
La fibra de carbono tiene más 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. [72] Una hoja 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). [77]
En lugar de fabricar refuerzos para las palas de las turbinas eólicas con vidrio puro o carbono puro, los diseños híbridos intercambian peso por costo. Por ejemplo, para una pala de 8 metros (26 pies), un reemplazo completo por fibra de carbono ahorraría un 80% de peso pero aumentaría los costos en un 150%, mientras que un reemplazo del 30% ahorraría un 50% de peso y aumentaría los costos en un 90%. . Los materiales de refuerzo híbridos incluyen vidrio E/carbono, vidrio E/aramida. La pala más larga actual de LM Wind Power está hecha de compuestos híbridos de carbono y vidrio. Se necesita más investigación sobre la composición óptima de los materiales [78]
Las adiciones de una pequeña cantidad (0,5 % en peso) de nanorrefuerzo ( nanotubos de carbono o nanoarcilla) en la matriz polimérica de los compuestos, apresto de fibras o capas interlaminares pueden mejorar la resistencia a la fatiga, la resistencia al corte o a la compresión y la tenacidad a la fractura de los compuestos en un 30 %. al 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%. [79]
En 2019 [actualizar], el costo de capital de una turbina eólica era de alrededor de $ 1 millón por megavatio de capacidad nominal , aunque esta cifra varía según la ubicación; por ejemplo, esas cifras oscilaron entre medio millón en América del Sur y 1,7 millones de dólares en Asia. [80]
Para las palas de las turbinas eólicas, si bien el costo del material es mucho mayor para las palas híbridas de fibra de vidrio/carbono que para las palas totalmente 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 estratificación de capas. Las láminas más delgadas permiten reducir el número de capas y, por tanto, la mano de obra y, en algunos casos, equivalen al costo de mano de obra de las láminas de fibra de vidrio. [81]
El offshore tiene costos de instalación significativamente más altos. [82]
Las piezas de las turbinas eólicas, además de las palas del rotor (incluido el cubo del rotor, la caja de cambios, el bastidor y la torre), están hechas en gran medida de acero. Las turbinas más pequeñas (así como las turbinas Enercon a escala de megavatios) han comenzado a utilizar aleaciones de aluminio para estos componentes para hacer que las turbinas sean más ligeras y eficientes. Esta tendencia puede aumentar si se pueden mejorar las propiedades de fatiga y fuerza. El hormigón pretensado se ha utilizado cada vez más como material de la torre, pero todavía se requiere mucho acero de refuerzo para cumplir los requisitos de resistencia de la turbina. Además, las cajas de cambios elevadoras se están reemplazando cada vez más por generadores de velocidad variable, lo que requiere materiales magnéticos. [71]
Las turbinas modernas utilizan un par de toneladas de cobre para generadores, cables y demás. [83] A partir de 2018 [actualizar], la producción mundial de turbinas eólicas utiliza 450.000 toneladas (990 millones de libras) de cobre por año. [84]
Un estudio de 2015 sobre las tendencias del consumo de materiales y los requisitos de la energía eólica en Europa encontró que las turbinas más grandes tienen un mayor consumo de metales preciosos pero una menor entrada de materiales por kW generado. El consumo de material y las existencias 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 espato flúor , y requeriría 14% para 2020. A nivel mundial, los principales países exportadores son Sudáfrica, México y China. Esto es similar a 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 la oferta. Debido a que la mayoría de estos valiosos materiales también se utilizan en otras tecnologías emergentes, como diodos emisores de luz (LED), energía fotovoltaica (PV) y pantallas de cristal líquido (LCD), se espera que su demanda crezca. [85]
Un estudio de 2011 del Servicio Geológico de Estados Unidos estimó los recursos necesarios para cumplir el compromiso de Estados Unidos de suministrar el 20% de su electricidad a partir de energía eólica para 2030. No consideró los requisitos para turbinas pequeñas o turbinas marinas porque no eran comunes en 2008, cuando se hizo 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 necesitarían entre 110.000 y 115.000 toneladas métricas de fibra de vidrio al año, un aumento del 14%. El uso de metales de tierras raras no aumentaría mucho en comparación con la oferta disponible; sin embargo, es necesario tener en cuenta los metales de tierras raras que también se utilizan para otras tecnologías, como las baterías, que están aumentando su demanda mundial. El terreno necesario 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 puede usarse para la agricultura. Un desafío mayor sería la variabilidad y transmisión a zonas de alta demanda. [86]
Los imanes permanentes para aerogeneradores contienen metales de tierras raras como neodimio (Nd), praseodimio (Pr), terbio (Tb) y disprosio (Dy). Los sistemas que utilizan turbinas magnéticas de accionamiento directo requieren mayores cantidades de metales de tierras raras. Por tanto, un aumento en la fabricación de aerogeneradores aumentaría la demanda de estos recursos. Se estima que para 2035 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. [87]
La dependencia de minerales de tierras raras para los componentes ha planteado 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. [86] Sin embargo, en los últimos años otros productores han aumentado la producción y China ha aumentado las cuotas de exportación, lo que ha dado lugar a una mayor oferta y un menor costo, y a una mayor viabilidad del uso a gran escala de generadores de velocidad variable. [88]
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, frente a 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 Estados Unidos y Europa. Sin embargo, las guerras de precios han dado lugar a medidas antidumping, como los aranceles sobre la fibra de vidrio china. [89]
Algunas localidades han explotado la naturaleza llamativa de las turbinas eólicas colocándolas en exhibición pública, ya sea con centros de visitantes alrededor de sus bases o en áreas de observación más alejadas. [90] Las turbinas eólicas generalmente tienen un diseño convencional de eje horizontal y tres palas y generan energía para alimentar redes eléctricas, pero también cumplen funciones no convencionales de demostración de tecnología, relaciones públicas y educación. [91]
Las pequeñas turbinas eólicas se pueden utilizar para una variedad de aplicaciones, incluidas residencias conectadas o desconectadas de la red, 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 pequeñas turbinas eólicas pueden ser tan pequeñas como un generador de cincuenta vatios para uso en barcos o caravanas . Las unidades híbridas de energía solar y eólica se utilizan cada vez más para la señalización del tráfico, especialmente en zonas rurales, ya que evitan la necesidad de tender cables largos desde el punto de conexión a la red eléctrica más cercano. [92] El Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE.UU. define las pequeñas turbinas eólicas como aquellas de tamaño inferior o igual a 100 kilovatios. [93] Las unidades pequeñas suelen tener generadores de accionamiento directo, salida de corriente continua , palas aeroelásticas, cojinetes de por vida y utilizan una veleta para apuntar hacia el viento. [94]
En la mayoría de los parques de turbinas eólicas horizontales, a menudo se mantiene una separación de aproximadamente 6 a 10 veces el diámetro del rotor. Sin embargo, para grandes parques eólicos, distancias de aproximadamente 15 diámetros de rotor deberían ser más económicas, teniendo en cuenta los costos típicos de la turbina eólica y del terreno. A esta conclusión se ha llegado mediante una investigación [95] realizada por Charles Meneveau de la Universidad Johns Hopkins [96] y Johan Meyers de la Universidad de Lovaina en Bélgica, basada en simulaciones por computadora [97] que tienen en cuenta las interacciones detalladas entre las turbinas eólicas (estelas) así como con toda la capa límite atmosférica turbulenta.
Una investigación reciente realizada por John Dabiri de Caltech sugiere que las turbinas eólicas verticales se pueden colocar mucho más juntas siempre que se cree un patrón de rotación alterno que permita que las palas de las turbinas vecinas se muevan en la misma dirección a medida que se acercan unas a otras. [98]
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Las turbinas eólicas necesitan un mantenimiento regular para seguir siendo fiables y disponibles . En el mejor de los casos, las turbinas están disponibles para generar energía el 98% del tiempo. [99] [100] 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 cual es un desafío común en climas fríos donde se producen eventos de formación de hielo en las nubes y lluvia helada . [101] El deshielo se realiza principalmente mediante calentamiento interno o, en algunos casos, mediante helicópteros que rocían agua limpia y tibia sobre las palas. [102]
Las turbinas modernas suelen tener una pequeña grúa a bordo para izar herramientas de mantenimiento y componentes menores. Sin embargo, los componentes grandes y pesados, como el generador, la caja de cambios, las palas, etc., rara vez se reemplazan, y en esos casos se necesita una grúa externa de carga pesada . Si la turbina tiene un camino de acceso difícil, la grúa interna puede levantar una grúa en contenedor para proporcionar un levantamiento más pesado. [103]
La instalación de nuevas turbinas eólicas puede resultar controvertida. Una alternativa es la repotenciación, en la que las turbinas eólicas existentes se reemplazan por otras más grandes y potentes, a veces en cantidades menores, manteniendo o aumentando la capacidad. [104]
Algunos aerogeneradores que están fuera de uso se reciclan o repotencian. [105] [106] 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. [107]
El interés en reciclar palas varía en los diferentes mercados y depende de la legislación sobre residuos y la economía local. Un desafío en el reciclaje de 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. [108]
Los residuos de los parques eólicos son menos tóxicos que otros tipos de basura. Las palas de las turbinas eólicas representan sólo una fracción del total de residuos en los EE. UU., según la asociación comercial de la industria eólica , American Wind Energy Association . [109]
Varias empresas de servicios públicos, empresas de nueva creación e investigadores están desarrollando métodos para reutilizar o reciclar palas. [107] El fabricante Vestas ha desarrollado una tecnología que puede separar las fibras de la resina, permitiendo su reutilización. [110] En Alemania, las palas de las turbinas eólicas se reciclan comercialmente como parte de una mezcla de combustible alternativo para una fábrica de cemento. [107] En el Reino Unido, un proyecto probará el corte de hojas en tiras para su uso como barras de refuerzo en hormigón , con el objetivo de reducir las emisiones en la construcción de High Speed 2 . [111] Las palas de turbinas eólicas usadas se han reciclado incorporándolas como parte de las estructuras de soporte dentro de puentes peatonales en Polonia [112] e Irlanda. [113]
Las turbinas eólicas son una de las fuentes de energía renovable de menor costo junto con los paneles solares. [114] 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 está sin explotar. [115] El costo principal de las pequeñas turbinas eólicas es el proceso de compra e instalación, que promedia entre $ 48.000 y $ 65.000 por instalación. Por lo general, la cantidad total de energía recolectada supera el costo de las turbinas. [116]
Las turbinas eólicas proporcionan una fuente de energía limpia, [117] 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 al año utilizando una turbina de un megavatio en lugar de un megavatio de energía procedente de un combustible fósil. [118]
Las turbinas eólicas pueden ser muy grandes, alcanzando más de 140 m (460 pies) de altura y con palas de 55 m (180 pies) de largo, [119] 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 estrategias adecuadas. [120] Miles de aves, incluidas especies raras, han muerto a causa de las aspas de las turbinas eólicas, [121] aunque las turbinas eólicas contribuyen de manera relativamente insignificante a la mortalidad antropogénica de las aves. Los parques eólicos y las centrales nucleares 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 alrededor de 5,2 muertes por GWh. En comparación, los generadores convencionales alimentados con carbón contribuyen significativamente más a la mortalidad de aves. [122] Un estudio sobre las poblaciones de aves registradas en los Estados Unidos entre 2000 y 2020 encontró que la presencia de turbinas eólicas no tuvo un efecto significativo en el número de poblaciones de aves. [123]
La energía aprovechada por las turbinas eólicas es variable y no es una fuente de energía "despachable"; su disponibilidad se basa en si sopla el viento, no en si se necesita electricidad. Las turbinas se pueden colocar en crestas o acantilados para maximizar el acceso del viento que tienen, pero esto también limita los lugares donde se pueden colocar. [115] Por lo tanto, la energía eólica no es una fuente de energía particularmente confiable. Sin embargo, puede formar parte del mix energético , que también incluye energía procedente de otras fuentes. También se está desarrollando tecnología para almacenar el exceso de energía, que luego puede compensar cualquier déficit de suministro. [124]
Las turbinas eólicas tienen luces parpadeantes que advierten a los aviones para evitar colisiones. [125] Los residentes que viven cerca de parques eólicos, especialmente los de zonas rurales, se han quejado de que las luces parpadeantes son una forma molesta de contaminación lumínica . [125] Un enfoque de mitigación de luces involucra sistemas de iluminación de detección de aeronaves (ADLS) mediante los cuales las luces se encienden, solo cuando el radar del ADLS detecta aeronaves dentro de umbrales de altitud y distancia. [125]
Ver también Lista de aerogeneradores más potentes
La capacidad de energía eólica en todo el mundo alcanza los 650,8 GW, 59,7 GW añadidos en 2019
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: URL no apta ( enlace )Estos funcionan... soplando aire caliente en las palas del rotor para que el hielo se derrita, o usando cables calefactores en el borde frontal de las palas del rotor donde se pega el hielo. No se añaden productos químicos al agua, a diferencia del deshielo de aviones, que a menudo implica un uso intensivo 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 de nueva construcción produce hoy 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 CO2 por cada kWh generado... el gas natural produce 442 gramos de CO2 por kWh, la energía de la hulla 864 gramos y la energía del lignito o lignito, 1034 gramos... la energía nuclear representa alrededor de 117 gramos de CO2 por kWh, considerando las emisiones provocadas por la minería de uranio y la construcción y operación de reactores nucleares.
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