Reportaje
Energía eólica
Resumen
Ante los efectos del cambio climático global debido a las emisiones de gases de efecto invernadero por la combustión de los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas), las energías renovables son una excelente opción para reducir estas emisiones. La generación de electricidad con energía eólica se presenta como la energía renovable de mayor crecimiento mundial en términos de capacidad eléctrica instalada, ya que puede ayudar a reducir el uso de los combustibles fósiles, crear empleos verdes, suministrar energía eléctrica a comunidades rurales y marginadas, y garantizar la seguridad energética, además, la energía eólica es una apuesta sostenible y de valor para el futuro. El aprovechamiento del viento puede lograrse instalando los generadores eléctricos (aerogeneradores o turbinas eólicas) tanto en suelo firme como en el mar. La energía eólica puede contribuir en la disminución del impacto a los cambios climáticos y crisis de energía que se viven hoy en día. Este documento describe cómo se produce el viento y cómo se puede aprovechar por medio de aerogeneradores para la producción de energía eléctrica, las ventajas y desventajas de la energía eólica, y la capacidad de generación a nivel global y en México.
El viento
Para saber cómo se produce el viento primero debemos saber que el aire caliente es más ligero que el
aire frio. La radiación solar no incide por igual en toda la superficie de la Tierra y hay zonas que se
calientan más que otras y en esas, el aire caliente
tiende a subir generando áreas de bajas presiones, en cambio, en las zonas más frías, el aire frio
desciende creando áreas de alta presión. La diferencia entre presiones hace que el aire se mueva y se
origine el viento, un elemento tan
poderoso que puede utilizarse para generar energía. La inclinación de la tierra proporciona al viento
una cierta estacionalidad, sin embargo, la masa del aire, la propia rotación de la tierra y la
naturaleza del terreno, le confiere al
viento un modelo de distribución muy complejo.
El movimiento de rotación de la tierra, aunado a que la radiación solar es más intensa en el
ecuador que en los polos, produce movimientos de masas de aire generando una distribución compleja del
viento. El viento es más fuerte
sobre los océanos que sobre los continentes, ya que el relieve y la vegetación frenan el movimiento del
aire. Los recursos eólicos, en general, son mayores a lo largo de las costas marinas, en las más altas
elevaciones y en las mayores
latitudes. Para mostrar la distribución geográfica del viento se han elaborado mapas que indican la
dirección y velocidad para los diferentes meses del año. A estos mapas se les conoce como Atlas Eólico.
Un Atlas Eólico documenta e identifica la existencia de grandes regiones con buenas promesas
para la explotación generalizada del recurso eólico, proporciona datos adecuados para evaluar e
identificar las zonas con mayor potencial
de energía eólica, y proporciona directrices para los aspectos meteorológicos de la ubicación detallada
de turbinas eólicas grandes y pequeñas
Aprovechamiento de la energía eólica
Entre las energías renovables más utilizadas está la energía eólica. Se trata de un tipo de energía
cinética producida por el efecto de las corrientes de aire. Esta energía se puede convertir en
electricidad por medio de aerogeneradores. Gracias a su
efectividad y sencillez, esta energía se encuentra en desarrollo constante y cada año es más utilizado,
no solo en México, sino en todo el mundo.
Aerogeneradores (turbinas eólicas). Un aerogenerador lo conforman la torre, la turbina
en sí formada por aspas o álabes que se encargan de recibir la fuerza cinética del viento, un sistema de
orientación ubicado al final
de la torre, un acoplamiento a la red eléctrica pegado a la base de la torre, una góndola que es el
armazón que cubre a los componentes mecánicos de la turbina y que sirve de base a los álabes, un eje y
mando del rotor por delante de los
álabes, y, dentro de la góndola, un freno, un variador de velocidad y el generador eléctrico (Figura 1).
Figura 1. Partes de un aerogenerador o turbina eólica.
Para maximizar la generación eléctrica, los aerogeneradores se orientan en la dirección del viento.
Parte del viento que pasa por el aerogenerador choca con los álabes y hace girar el rotor. Éste,
conectado al eje, envía la energía de rotación al generador
eléctrico.
Esa es la secuencia en la que la energía del viento se convierte en electricidad a través de
los principales componentes del aerogenerador:
- El rotor, compuesto por tres álabes y el buje que las une, su función es captar la fuerza del viento y convertirla en energía mecánica de rotación.
- El variador de velocidad, unido al motor mediante un eje, su función es elevar la velocidad de giro.
- El generador eléctrico se encarga de convertir la energía mecánica de rotación en energía eléctrica.
Clasificación de los aerogeneradores. Existen diferentes tipos de aerogeneradores, dependiendo de su potencia, la disposición de su eje de rotación, el tipo de generador, etcétera (Figura 2).
Aerogeneradores de acuerdo con su eje de rotación.
Figura 2. Tipos de aerogeneradores de acuerdo con su eje de rotación.
Principalmente podemos encontrar dos tipos de aerogeneradores: de eje horizontal o HAWT (por sus siglas
en inglés) y de eje vertical o VAWT (por sus siglas en inglés). El aerogenerador de eje horizontal es
considerado el más eficiente y es el más utilizado
en la actualidad.
Las ventajas y desventajas de cada uno, se muestran en la Tabla 1.
| Tipo de generadores | Ventajas | Desventajas |
| Eje horizontal (HWAT) |
-La altura de la torre permite al aerogenerador trabajar con fuertes corrientes de viento.
-Cada uno de los álabes recibe la potencia del viento en cualquier punto de rotación. -Tiene alta eficiencia. |
-Requiere de una construcción sólida de la torre para soportar el peso de la góndola. -Casi todos los componentes del aerogenerador, los cuales tienen un peso considerable, van instalados en la parte alta de la torre. -Requiere de un sistema de control adicional para orientar las palas hacia el viento. |
| Eje vertical (VAWT) |
-Este tipo de aerogenerador no requiere de un mecanismo para orientar los álabes al viento.
-El generador, el tren de engranaje y el transformador son instalados a nivel del suelo. -La captación del viento es mejor que los aerogeneradores de eje horizontal. |
-La velocidad del viento a nivel del suelo es baja, por lo que la potencia del aerogenerador
será baja. -Objetos muy grandes cercanos al suelo y al aerogenerador pueden provocar turbulencia, vibraciones y esfuerzo en los componentes del aerogenerador. |
Tabla 1. Ventajas y desventajas de los aerogeneradores.
Aerogeneradores de acuerdo con su velocidad de rotación
Los aerogeneradores se pueden dividir en dos clases de acuerdo con su velocidad. Estos pueden ser de
velocidad fija o FSWT (por sus siglas en inglés) y de velocidad variable o VSWT (por sus siglas en
inglés).
El inconveniente de un aerogenerador de velocidad fija es que no permite variación de
velocidad, en consecuencia, el rotor de la turbina debe girar a una velocidad aproximadamente constante,
lo que disminuye la energía extraída
del viento. En cambio, el aerogenerador de velocidad variable permite operar a diferentes velocidades y
entregar potencia a un sistema de tensión y frecuencia constante. Se puede decir que los aerogeneradores
de velocidad variable son
más eficientes que los de velocidad constante.
Parques Eólicos (Centrales Eólicas). La energía eólica se genera a gran escala mediante la
construcción de parques eólicos, compuestos por un conjunto de aerogeneradores. Para fines de claridad
es importante destacar que hay dos
factores fundamentales para determinar la viabilidad de un parque eólico: (1) aprovechamiento y
emplazamiento, y (2) los costos totales de la central eólica. En términos generales, la selección de
sitios para el aprovechamiento de la energía
eólica depende de la orografía y de la velocidad y dirección del viento. El lugar de instalación de un
parque eólico debe caracterizarse mediante la evaluación regional del viento y mediciones en campo. Para
ayudar con estas tareas y lograr
la mejor localización, una herramienta útil es el Atlas Eólico.
Los parques eólicos se pueden
clasificar en:
- Parques eólicos terrestres. Producen energía eléctrica a partir del aprovechamiento del viento por medio de aerogeneradores instalados en tierra.
- Parques eólicos marinos. Producen energía eléctrica a partir del aprovechamiento del viento con aerogeneradores instalados en el mar.
En el mar el viento alcanza una velocidad mayor y más constante debido a la inexistencia de barreras. Para explotar al máximo este recurso, se desarrollan megaestructuras asentadas sobre el lecho marino, o flotantes, dotadas con las últimas innovaciones técnicas.
Beneficios e inconvenientes de la energía eólica
La energía eólica ofrece numerosos beneficios, tanto a las compañías que apuestan por ella como a la
sociedad en general. A continuación, se presentan algunos beneficios e inconvenientes del
aprovechamiento de la energía eólica.
Beneficios:
- Es una fuente de energía inagotable. El viento es un recurso ilimitado.
- Es una energía limpia. Al no requerir ningún proceso de combustión, se trata de una energía con bajas emisiones de gases de efecto invernadero.
- Ocupa poco espacio. Prácticamente solamente se utiliza el área de la base de la torre.
- Es reversible, lo que significa que el área ocupada por el parque eólico puede restaurarse fácilmente para renovar el territorio.
- Las turbinas eólicas tienen un ciclo de vida muy largo antes de ser retiradas para su eliminación.
- El costo por kWh producido es cada día más bajo. En zonas donde el viento sopla más fuerte el beneficio es aún mayor. Los costos reales de la energía eólica terrestre y marina, desde 2014, han disminuido más rápidamente de lo que predijeron la gran mayoría de los expertos en 2015.
- Genera empleos verdes. De acuerdo con la Agencia Internacional de las Energías Renovables (IRENA), la energía eólica ya emplea hoy a más de 1,2 millones de personas y se prevé que esta cifra continuará incrementándose. En la Figura 3 se muestran los beneficios en la economía de México.
- Es compatible con otras actividades. La actividad agrícola y ganadera convive armoniosamente con la actividad de un parque eólico. Esto hace que no tenga un impacto negativo en la economía local.
Inconvenientes:
- La continuidad del viento no está garantizada (intermitencia). El viento es relativamente impredecible por lo que no siempre se cumplen las previsiones de producción.
- Energía no almacenable. Se trata de energía que no se puede almacenar, sino que debe ser consumida de manera inmediata cuando se produce, aunque cada día se avanza en diversos desarrollos de almacenamiento de energía, como por ejemplo el hidrógeno.
- Impacto en el paisaje, Los grandes parques eólicos tienen un fuerte impacto paisajístico y son visibles desde largas distancias. El impacto estético en el paisaje a veces genera malestar en la población local.
- Los parques eólicos pueden tener un impacto negativo en la avifauna, especialmente entre las aves rapaces nocturnas y en algunas especies marinas por contaminación acústica.
- Impacto medioambiental por los residuos generados, ya sea durante el mantenimiento o al desmantelar un parque eólico, aunque la mayoría de estos residuos son reciclables o reutilizables.
Figura 3. Beneficios de la energía eólica en la economía de México.
Energía eólica global
El aprovechamiento de la energía eólica ha crecido considerablemente en los últimos años. Está presente
en más de 90 países y compite con éxito con la generación eléctrica convencional creando cientos de
miles de puestos de trabajo, liderando el camino
hacia un futuro de energía limpia. El desarrollo tecnológico alcanzado por estas máquinas es notable por
su tamaño y potencia.
En 2020, las nuevas instalaciones de energía eólica a nivel mundial superaron los 90 GW, un
crecimiento del 53% en comparación con 2019, lo que eleva la capacidad instalada total a 743 GW, un
crecimiento del 14% (Figura 4).
Figura 4. Capacidad global de generación de electricidad con energía eléctrica.
Gracias al crecimiento explosivo de las instalaciones en China, Asia Pacífico sigue liderando el
desarrollo mundial de la energía eólica y su participación en el mercado mundial aumentó un 8.5% en
2019.
Derivado de un año récord de instalaciones en los Estados Unidos (18.4%), éste reemplazó a
Europa (15.9%) como el segundo mercado regional más grande para nuevas instalaciones. América Latina
ocupa el cuarto mercado regional (5%)
en 2020, seguido de África y Oriente Medio (0.9%).
Los cinco principales mercados del mundo en 2020 para nuevas instalaciones fueron China, EUA,
Brasil, Países Bajos y Alemania. Estos cinco mercados combinados constituyeron el 80.6% de las
instalaciones globales el año pasado,
colectivamente más del 10% que en 2019.
Energía eólica en México
México cuenta con diversas zonas con vientos suficientemente altos para la generación de energía eoloeléctrica. Esto permite visualizar al país como un importante productor de energía eólica y podría aspirar a ser un referente para la transición energética en América Latina. Hasta 2019, México contaba con más de 6237 MW de capacidad eólica instalada. Esa capacidad ubicó al país en el lugar 16 a nivel mundial, aunque en 2020 se superaron los 7000 MW (Figura 5). Estados como Tamaulipas, Oaxaca o Yucatán tienen velocidades de vientos propicios para la instalación de centrales eólicas, por lo que se han convertido en puntos importantes para el desarrollo de nuevos proyectos.
Figura 5. Capacidad total de generación de energía eléctrica y generación eléctrica con energía eólica en México.
A nivel nacional, estudios realizados indican que México posee capacidad para instalar más de 70000 MW.
Diez veces más que la capacidad instalada hasta el año 2020 (7000 MW).
México llegará a una capacidad instalada de 7800 MW eólicos al cierre del 2021, lo que
implicará un incremento anual de 9%, con un aumento máximo de 700 MW que entrarán en operación a lo
largo del año.
Actualmente existen 71 centrales eólicas en el país, diez más que al concluir 2018. La mayor
parte de ellas se sitúa en Oaxaca, aunque diversos estados del país están siendo cada vez más atractivos
para el aprovechamiento eólico
(Figura 6).
Figura 6. Capacidad de energía eólica por estado.
Tendencias en los estudios de la energía eólica
La energía eólica ha aumentado su participación en los sistemas de energía eléctrica de todo el mundo en
las últimas décadas. Esto puede considerarse absolutamente necesario debido a requerimientos cada vez
mayores de consumo energético y de la presión
ante la crisis climática. Las emisiones de gases de efecto invernadero son las responsables de esta
crisis, lo que refuerza la convicción de que se deben concentrar esfuerzos en el máximo aprovechamiento
de energía de fuentes distintas
a los combustibles fósiles. De acuerdo con lo anterior, la irrupción de las renovables y en particular
la energía eólica, está claramente justificada. Por ello, es natural que el desarrollo de todo tipo de
convertidores de energía eólica
y tecnologías de almacenamiento estén experimentando un crecimiento importante desde el siglo pasado.
La energía eólica es un campo de investigación amplio y muy popular. Existen diversas áreas de
investigación como los sistemas de conversión de energía eólica, el modelado de energía eólica, la
eficiencia y el almacenamiento de
energía, la economía de la energía, la predicción del viento, estrategias y efectos ambientales
relacionados con la energía eólica, y otros.
Esto significa que su estudio está vigente y que requiere la participación de diversos actores:
centros de investigación, empresas, universidades, etc. Algunos estudios relacionados con la energía
eólica serán:
- Repotenciación de aerogeneradores. Muchos de los aerogeneradores de todo el mundo han terminado su vida útil o están cerca de ella. Una de las posibilidades es la repotenciación para alargar su vida útil.
- Nuevos modelos para aerogeneradores. Esta línea de investigación no solo se refiere a si se deben instalar turbinas eólicas horizontales o verticales, sino a los tipos de generadores y sus dispositivos electrónicos.
- Almacenamiento de energía. La energía eólica es variable, ya que depende de las condiciones climáticas y no se puede almacenar directamente. Por lo tanto, se espera que se desarrollen sistemas avanzados para almacenar la electricidad.
- Energía y medio ambiente. Si bien la energía eólica es una de las denominadas limpias, su impacto en el medio ambiente no es nulo. Tiene sus aspectos positivos y sus partidarios, pero también tiene sus detractores y posibles puntos negativos. Cómo equilibrarlos o cómo reforzar sus aportes positivos es algo de extrema importancia para el planeta.
Conclusiones
El calentamiento global y el aumento del consumo de electricidad plantean un serio desafío para la
mayoría de los países desde la perspectiva del cambio climático y la seguridad energética. La energía
eólica se presenta como una excelente opción para
la generación eléctrica. Las mejoras tecnológicas y la reducción de costos la han llevado a convertirse
en una de las opciones más competitivas para la generación de electricidad a gran escala, lo cual
ayudará a reducir la dependencia
de los combustibles fósiles y la emisión de gases de efecto invernadero. Las continuas mejoras
tecnológicas y la reducción de costos impulsarán la instalación de nuevos parques eólicos en tierra y
mar e incrementarán su capacidad de generación.
La energía eólica se considera una excelente opción para apoyar en la transición energética
hacia las energías limpias y para poder cumplir con los objetivos medioambientales. Por ello, y gracias
a sus ventajas económicas, el crecimiento
del mercado de la energía eólica, tanto a nivel global como en México, se está incrementando.
Pero a pesar de dicho incremento, falta mucho por hacer para que la energía eólica sea la base
energética de alguna región. Por ahora se requiere de potencia firme obtenida con tecnologías
tradicionales para compensar las horas
en que no hay viento. Ahí queda, pues, el reto para las instituciones y el talento humano.
Autor:
Samuel Salinas Sánchez,
ssalinas@ineel.mx
Revisado por:
Ubaldo Miranda Miranda, RevistaTransicionE@ineel.mx