Energía eólica. Fundamentos, tecnologías y aplicaciones

Por DAVID PEREZ

La energía eólica se ha convertido en un pilar fundamental para la transición hacia un futuro energético sostenible y libre de emisiones. Si deseas sumergirte en el tema con un enfoque preciso y riguroso, has llegado al libro indicado. En él se abordan los fundamentos esenciales de la energía eólica, desde los conceptos básicos hasta las tecnologías de vanguardia.
El autor, David Pérez, investigador de la Universidad del Valle de México y el Centro de Investigación e Innovación y Desarrollo Tecnológico (CIIDETEC) - UVM Campus Coyoacán, ofrece en este libro un conocimiento profundo y actualizado en el campo de la energía eólica. Gracias a su lectura:
"Descubrirás cómo el viento se convierte en energía eléctrica mediante aerogeneradores.
"Analizarás las ventajas y desventajas de esta tecnología.
"Explorarás los aspectos técnicos y científicos que hay detrás de su funcionamiento eficiente.
"Aprenderás acerca de la influencia del viento y los factores que afectan a la producción de energía, y te informarás sobre los avances en aerodinámica y mecánica de los aerogeneradores.
Además, este libro te guiará a través de la instalación y puesta en marcha de parques eólicos, la integración de la energía eólica en la red eléctrica, y la gestión eficiente de la energía generada. También examinarás el impacto ambiental de la energía eólica y las medidas de mitigación necesarias para su desarrollo sostenible.
Energía eólica. Fundamentos, tecnologías y aplicaciones es una herramienta con un valor incalculable tanto si eres un profesional como si eres un estudiante que desea profundizar sus conocimientos en esta materia. Te servirá de apoyo para abordar los desafíos actuales y futuros en la generación de energía limpia y renovable.
No pierdas la oportunidad de explorar el vasto potencial de la energía eólica y contribuir al avance de una sociedad más sostenible. ¡Prepárate para adentrarte en el mundo técnico y científico de la energía eólica y marcar la diferencia en el futuro energético global!

• Idioma: Español
• Editorial: Marcombo
• Fecha de lanzamiento: 6 sept 2023
• ISBN: 9788426737229

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CAPÍTULO 1

Introducción a la energía eólica

1.1. ¿Qué es energía?

La energía es la capacidad de realizar un trabajo o producir un cambio. Existen diferentes formas de energía, como la térmica, la eléctrica, la química, la nuclear o la mecánica. La energía se puede transformar de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir. Esto se conoce como el principio de conservación de la energía.

Tabla 1. Descripción de los tipos de energía.

1.1.1. ¿Qué energías son renovables?

Las energías renovables son aquellas que se obtienen de fuentes naturales inagotables, como el sol, el viento, el agua o la biomasa. Estas fuentes de energía no se agotan con su uso y no generan emisiones contaminantes que contribuyan al cambio climático. Algunos ejemplos de energías renovables son la solar, la hidráulica, la geotérmica, la mareomotriz, la undimotriz y la eólica.

1.1.2 ¿Qué energías no son renovables?

Las energías no renovables son aquellas que se obtienen de fuentes naturales limitadas, como el carbón, el petróleo o el gas natural. Estas fuentes de energía se agotan con su uso y generan emisiones contaminantes que contribuyen al cambio climático. Algunos ejemplos de energías no renovables son la térmica, la nuclear o la derivada de los combustibles fósiles.

A continuación, se muestra una tabla donde se comparan los diversos tipos de energía: renovables y no renovables.

Tabla 2. Comparación de energías renovables y no renovables.

A continuación, en la tabla 3, se comparan diferentes tipos de energías renovables en términos de eficiencia, costes y beneficios ambientales, entre otros. Esta es una herramienta útil para entender las ventajas y desventajas de cada tecnología de generación de energía renovable. Además, esta comparación es especialmente relevante para aquellos que buscan invertir en energías renovables o tomar decisiones sobre la implementación de estas tecnologías en diferentes sectores.

Tabla 3. Comparación de energías renovables.

1.2. ¿Por qué es importante y trascendental contar con energías limpias?

Contar con energías limpias es importante y trascendental por varias razones:

•   Contribuyen a reducir la dependencia energética de los países que importan combustibles fósiles, mejorando así la propia seguridad y soberanía.

•   Favorecen el desarrollo económico y social de las regiones donde se implantan, creando empleo y riqueza.

•   Preservan el medio ambiente y la salud de las personas, al evitar la contaminación atmosférica, acústica y visual que provocan las energías no renovables.

•   Mitigan el cambio climático, al reducir las emisiones de gases de efecto invernadero que causan el calentamiento global.

1.3. ¿Qué es el efecto invernadero?

El efecto invernadero es un fenómeno natural que permite que la Tierra mantenga una temperatura adecuada para la vida. Consiste en que algunos gases presentes en la atmósfera, como el dióxido de carbono, el metano o el vapor de agua, retienen parte del calor que proviene del sol y lo devuelven a la superficie terrestre. Sin embargo, el aumento de las emisiones de estos gases, debido a las actividades humanas, ha intensificado el efecto invernadero, provocando un aumento de la temperatura media global.

1.4. ¿Qué es el cambio climático?

El cambio climático es la alteración del clima a escala global, causada por el aumento del efecto invernadero. El cambio climático tiene consecuencias graves para el planeta y para la vida, como el aumento del nivel del mar, la desertificación, la pérdida de biodiversidad, la escasez de agua o el incremento de fenómenos meteorológicos extremos.

1.5. ¿Qué está haciendo la comunidad internacional para mitigar las emisiones de los gases de efecto invernadero?

Los países están adoptando medidas para mitigar las emisiones de los gases de efecto invernadero y adaptarse a los impactos del cambio climático. Algunas de estas medidas son:

•   Promover el uso de las energías renovables y mejorar la eficiencia energética.

•   Fomentar el transporte público y los vehículos eléctricos o híbridos.

•   Impulsar la reforestación y la conservación de los ecosistemas naturales.

•   Aplicar políticas fiscales y regulatorias que incentiven la reducción de las emisiones.

•   Participar en acuerdos internacionales para proteger el medio ambiente.

1.6. ¿Qué hacen los países latinos para mitigar el efecto invernadero?

Los países latinos también están realizando esfuerzos para mitigar el efecto invernadero y adaptarse al cambio climático. Algunos ejemplos son:

•   Brasil: Es uno de los mayores productores mundiales de energía hidroeléctrica y cuenta con un gran potencial eólico y solar. Además, ha logrado reducir significativamente la deforestación en la Amazonia.

•   Chile: Ha impulsado una política energética que apuesta por las energías renovables no convencionales y ha creado un impuesto al carbono para desincentivar el uso de combustibles fósiles.

•   Colombia: Ha implementado un Plan Nacional de Desarrollo bajo en Carbono, que busca reducir las emisiones en sectores como el transporte, la industria o la minería. También ha desarrollado planes sectoriales de adaptación al cambio climático.

•   Costa Rica: Ha sido un país pionero en declarar su compromiso con ser un País Carbono Neutral para 2021. Para ello, ha promovido el uso de las energías renovables, especialmente la hidroeléctrica y la geotérmica, y ha protegido más del 25 % de su territorio como áreas naturales.

1.6.1. ¿Qué hace España para mitigar el cambio climático?

España es uno de los países europeos más vulnerables ante el cambio climático y también es uno de los más comprometidos con su mitigación. Entre sus acciones destacan:

•   Aprobar una Ley de Cambio Climático y Transición Energética que fija objetivos ambiciosos para reducir las emisiones y aumentar las energías renovables y la eficiencia energética.

•   Impulsar un Plan Nacional Integrado de Energía y Clima que contempla medidas para descarbonizar los sectores económicos y alcanzar una economía neutra en carbono en 2050.

•   Apoyar el desarrollo del sector eólico como uno de los más importantes en materia de generación eléctrica con fuentes renovables.

•   Liderar iniciativas internacionales como la Coalición por una Ambición Climática Elevada o la Alianza Global por una Recuperación Verde.

1.7. Acuerdos internacionales para proteger el medio ambiente

Los acuerdos internacionales son instrumentos jurídicos que establecen compromisos entre los países para proteger el medio ambiente y hacer frente al cambio climático. Algunos ejemplos son:

•   El Protocolo de Kioto: Entró en vigor en 2005 y estableció metas vinculantes para reducir las emisiones entre 2008 y 2012 para los países industrializados.

•   El Acuerdo de París: Entró en vigor en 2016 y estableció un marco global para limitar el aumento de temperatura a menos de 2 °C respecto a niveles preindustriales e impulsar medidas para adaptarse a los impactos del cambio climático.

•   La Agenda 2030: Entró en vigor en 2015 y estableció 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) que abordan aspectos sociales, económicos y ambientales relacionados con el desarrollo sostenible.

1.8. Energía eólica

La energía eólica es una fuente de energía renovable que aprovecha la fuerza del viento para generar electricidad. Es una alternativa limpia y sostenible a los combustibles fósiles, que contribuye a mitigar el cambio climático y a diversificar el mix energético.

La energía eólica es la energía que se obtiene a partir de la transformación de la energía cinética del viento en energía eléctrica. Para ello, se utilizan unos dispositivos llamados «aerogeneradores», que son grandes molinos de viento con hélices que giran cuando el viento sopla. Los aerogeneradores están conectados a un generador eléctrico, que convierte el movimiento rotatorio de las hélices en electricidad. La electricidad producida por los aerogeneradores se transmite a través de cables subterráneos hasta una subestación, donde se eleva su tensión para poder transportarla por la red eléctrica hasta los puntos de consumo.

Los aerogeneradores pueden instalarse tanto en la tierra como en el mar, formando parques eólicos terrestres o marinos. Los parques eólicos terrestres suelen ubicarse en zonas con vientos constantes y fuertes, como las montañas o las llanuras. Los parques eólicos marinos se sitúan en el mar, donde el viento es más estable y potente, pero también más costoso de instalar y mantener.

1.8.1. Importancia de la energía eólica para mitigar el cambio climático

Según la Agencia Internacional de Energía Renovable (IRENA), la capacidad instalada de energía eólica alcanzó los 733 gigawatts (GW) a finales de 2020, lo que supone un aumento del 10 % respecto al año anterior. La energía eólica generó el 8 % de la electricidad mundial en 2020, evitando así la emisión de más de 1100 millones de toneladas de dióxido de carbono (CO2), el principal gas de efecto invernadero.

La energía eólica tiene numerosos beneficios ambientales y socioeconómicos. Entre ellos, destacan los siguientes:

•   Es una energía limpia, que no produce contaminación atmosférica ni residuos peligrosos.

•   Es una energía renovable, que utiliza un recurso natural inagotable como el viento.

•   Es una energía autóctona, que reduce la dependencia de las importaciones de combustibles fósiles y mejora la seguridad energética.

•   Es una energía competitiva, que tiene unos costes cada vez más bajos y puede competir con otras fuentes de generación eléctrica.

•   Es una energía generadora de empleo, que crea puestos de trabajo directos e indirectos en los sectores de fabricación, instalación, operación y mantenimiento de los aerogeneradores.

•   Es una energía compatible con otras actividades, que puede convivir con el uso agrícola o ganadero del suelo o con la pesca o el turismo en el mar.

CAPÍTULO 2

Antecedentes de la energía eólica

2.1. Introducción

En este capítulo, se explorarán los antecedentes de la energía eólica, desde su definición y funcionamiento hasta su historia y evolución. La energía eólica es una fuente de energía renovable y limpia, que puede ser utilizada tanto a pequeña como a gran escala, y su uso continúa en constante crecimiento en todo el mundo. A pesar de los beneficios que ofrece, la energía eólica también presenta desafíos y desventajas, como la variabilidad del viento y su impacto visual y ambiental en las áreas donde se instalan las turbinas eólicas. A través de este capítulo, se explorarán en detalle los beneficios y desventajas de la energía eólica, así como su impacto en la lucha contra el cambio climático.

2.2. ¿Qué es la energía eólica y cómo funciona?

La energía eólica es una forma de energía renovable que aprovecha la fuerza del viento para generar electricidad. Se basa en el uso de aerogeneradores, que son grandes turbinas con álabes que giran al ser impulsadas por el aire. Estos aparatos transforman la energía cinética del viento en energía mecánica, que luego se convierte en energía eléctrica mediante un generador. El funcionamiento de la energía eólica depende de varios factores, como la velocidad y la dirección del viento, el diseño y el tamaño de los aerogeneradores, y la ubicación y la distribución de los parques eólicos. Estos son conjuntos de aerogeneradores instalados en zonas con un alto potencial eólico, ya sea en la tierra o en el mar.

La energía eólica tiene muchas ventajas frente a otras fuentes de energía convencionales, como los combustibles fósiles. Entre ellas se encuentran:

•   Es una energía limpia, que no produce emisiones contaminantes ni contribuye al cambio climático.

•   Es una energía inagotable, que se basa en un recurso natural disponible en todo el planeta.

•   Es una energía económica, que reduce los costes de generación y transporte de electricidad.

•   Es una energía segura, que no genera residuos peligrosos ni riesgos de accidentes graves.

•   Es una energía compatible, que se puede integrar con otras fuentes de energía renovable y con la red eléctrica.

Para entender mejor cómo funciona la energía eólica, es necesario conocer algunos conceptos básicos:

•   El viento es el resultado del movimiento de las masas de aire, y es causado por las diferencias de presión y temperatura entre distintas zonas de la atmósfera. La radiación solar es la principal responsable de estas diferencias, ya que calienta más unas zonas que otras.

•   La energía cinética es la energía asociada al movimiento de un cuerpo. En este caso, se refiere al movimiento del aire que forma el viento. Cuanto mayor sea la velocidad del viento, mayor será su energía cinética.

•   El aerogenerador es el dispositivo que capta la energía cinética del viento y la transforma en energía mecánica y eléctrica.

•   El parque eólico es el conjunto de aerogeneradores instalados en una misma zona para generar electricidad a gran escala. Los parques eólicos pueden ser terrestres o marinos, según se encuentren en la tierra o en el mar. Los parques eólicos terrestres suelen ubicarse en zonas elevadas o llanas con un buen régimen de vientos. Los parques eólicos marinos se sitúan en aguas poco profundas cerca de la costa, donde el viento es más constante y fuerte.

•   La red eléctrica es el sistema que transporta y distribuye la electricidad desde los puntos de generación hasta los puntos de consumo. La red eléctrica está formada por líneas de alta, media y baja tensión, subestaciones transformadoras y centros de control. La red eléctrica debe mantener un equilibrio entre la oferta y la demanda de electricidad, lo que implica ajustar la producción según las variaciones del consumo.

•   La energía eólica se integra en la red eléctrica mediante dos modalidades:

○   La conexión directa: Consiste en conectar los aerogeneradores directamente a la red eléctrica sin ningún tipo de almacenamiento intermedio. Esta modalidad requiere una buena coordinación con otras fuentes de generación para compensar las fluctuaciones del viento.

○   El almacenamiento híbrido: Consiste en combinar los aerogeneradores con sistemas de almacenamiento de energía, como baterías o hidrógeno, que permiten guardar el excedente de electricidad cuando hay mucho viento y liberarlo cuando hay poco. Esta modalidad mejora la estabilidad y la calidad del suministro eléctrico.

La energía eólica es una fuente de energía renovable con un gran potencial para contribuir a la transición hacia un modelo energético más sostenible y respetuoso con el medio ambiente. Sin embargo, también presenta algunos retos y desafíos:

•   La variabilidad e intermitencia del viento: El viento no sopla siempre con la misma intensidad ni dirección, lo que hace que la producción eólica sea irregular e impredecible. Esto dificulta su integración en la red eléctrica y requiere sistemas complementarios para garantizar el suministro.

•   El impacto ambiental y social: Los aerogeneradores pueden afectar al paisaje, al ruido, a las aves y a otros animales. Además, pueden generar conflictos con otros usos del territorio o del mar. Por ello, es necesario realizar estudios previos y aplicar medidas correctoras para minimizar estos efectos negativos.

•   El coste económico: Aunque la energía eólica ha reducido sus costes gracias a los avances tecnológicos y a las economías de escala, en algunos casos sigue siendo más cara que otras fuentes convencionales. Además, requiere inversiones importantes en infraestructuras e incentivos para su desarrollo.

Nota clave: La energía eólica es una de las formas más antiguas de aprovechamiento de energía conocidas por el hombre. A lo largo de la historia, las velas de los barcos y los molinos de viento han utilizado la energía del viento para impulsar actividades cotidianas, como el transporte y la molienda de granos. Hoy en día, esta tecnología ha avanzado significativamente, permitiendo la generación de electricidad a gran escala a partir del viento y contribuyendo a la transición hacia una matriz energética más sostenible y respetuosa con el medio ambiente.

2.3. Historia de la energía eólica

La energía eólica es una de las formas más antiguas de aprovechar la fuerza de la naturaleza para obtener beneficios. Desde la antigüedad, el ser humano ha utilizado el viento para mover embarcaciones, moler cereales o bombear agua. Sin embargo, el origen de la energía eólica como fuente de electricidad se remonta a finales del siglo XIX, cuando el inventor estadounidense Charles Francis Brush construyó la primera turbina eólica capaz de generar corriente eléctrica en 1888. Su aerogenerador tenía un diámetro de 17 metros, 144 álabes de madera y una potencia de 12 kW. Funcionó durante 20 años y alimentó la iluminación de su mansión en Cleveland.

A pesar de este hito, las turbinas eólicas de tipo americano tenían una eficiencia muy baja, debido al gran número de álabes que presentaban. Para mejorar el rendimiento de los aerogeneradores, fue necesario el trabajo del danés Poul La Cour, considerado el padre de la energía eólica moderna. La Cour era meteorólogo y se dedicó a estudiar las propiedades del viento y su potencial energético. En 1891, construyó su primer molino eléctrico con cuatro álabes metálicos y un generador que producía corriente continua. Con la electricidad obtenida, realizaba la electrólisis del agua y obtenía hidrógeno, que usaba para iluminar su escuela en Askov. Allí enseñaba a sus alumnos cómo construir y operar aerogeneradores. En 1904, fundó la Sociedad de Electricistas del Viento y publicó una revista sobre el tema. Gracias a sus esfuerzos, Dinamarca se convirtió en el primer país en utilizar la energía eólica a gran escala. En 1918, había unas 120 empresas que se abastecían de electricidad eólica, lo que representaba un 3 % del consumo total del país.

La evolución de la energía eólica continuó en los años posteriores con el desarrollo de nuevos diseños y tecnologías. Uno de los ingenieros más destacados fue Johannes Juul, discípulo de La Cour, que inventó un sistema para obtener corriente alterna de los aerogeneradores en los años 50. Su diseño más famoso fue el tripala Gedser, de 200 kW, construido entre 1956 y 1957, que se considera el precursor de los actuales aerogeneradores. Este modelo tenía un sistema de control automático que le permitía adaptarse a las variaciones del viento y evitar sobrecargas. Además, tenía un sistema de frenado que detenía los álabes en caso de tormenta o mantenimiento. El aerogenerador Gedser funcionó durante 11 años sin averías y demostró la viabilidad técnica y económica de la energía eólica.

A continuación, en la Figura 2.1, se muestra un esquema de la evolución de los aerogeneradores:

Illustration

Figura 2.1. Evolución de los aerogeneradores.

La historia de la energía eólica está marcada por el ingenio y la innovación de personas que supieron aprovechar el recurso natural más abundante y renovable: el viento. A lo largo del tiempo, los aerogeneradores han ido aumentando su tamaño, potencia y eficiencia, hasta convertirse en una fuente de energía limpia y competitiva que contribuye a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y a diversificar el mix energético.

En la actualidad, la energía eólica es una realidad consolidada en muchos países del mundo, que cuentan con parques eólicos terrestres y marinos capaces de satisfacer una parte importante de la demanda eléctrica.

Para explicar mejor la evolución histórica de la energía eólica, se presenta, a continuación, una tabla con algunos datos relevantes:

Tabla 4. Evolución histórica de la energía eólica.

Actualmente, la energía eólica se ha convertido en una de las principales fuentes de energía renovable a nivel global, y su adopción continúa en constante crecimiento. De acuerdo con la Agencia Internacional de Energía, en 2020 la energía eólica contribuyó con el 7 % de la generación total de electricidad a nivel mundial, y se prevé que esta proporción siga incrementándose en los próximos años. La energía eólica es una fuente de energía limpia y renovable que ayuda a reducir la dependencia de los combustibles fósiles y contribuye a la lucha contra el cambio climático. La Tabla 5 muestra las alturas típicas de los aerogeneradores a través del tiempo.

Tabla 5. Desarrollo técnico de los aerogeneradores.

2.4. Ventajas y desventajas de la energía eólica

La energía eólica es una energía muy prometedora, ya que