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Energía eólica
La energía eólica es la energía que se obtiene a partir del viento, es decir, es el aprovechamiento de la energía cinética de las masas de aire. El término «eólico» proviene del latín aeolicus, o «perteneciente o relativo a Eolo», dios de los vientos en la mitología griega.
En la actualidad, la energía eólica se utiliza principalmente para producir electricidad, lo que se consigue mediante aerogeneradores conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica, entre otras. Los parques eólicos construidos en tierra representan una fuente de energía cada vez más barata y competitiva. Es incluso más barata en muchas regiones que otras fuentes de energía convencionales. Además se puede proporcionar electricidad en regiones aisladas que no tienen acceso a la red eléctrica mediante instalaciones eólicas de reducido tamaño, o también con energía solar fotovoltaica. Las compañías eléctricas distribuidoras adquieren cada vez en mayor medida el excedente de electricidad producido por pequeñas instalaciones eólicas domésticas. El auge de la energía eólica ha provocado también la planificación y construcción de parques eólicos offshore —es decir que están situados en el mar—, cerca de las costas. La energía del viento es más estable y fuerte en el mar que en tierra, y los parques eólicos marinos tienen un impacto visual menor, aunque los costos de construcción y mantenimiento son considerablemente mayores.
A finales de 2016 , la capacidad mundial instalada de energía eólica ascendía a 370 GW, generando alrededor del 5 % del consumo de electricidad mundial. Dinamarca genera más de un 25 % de su electricidad mediante energía eólica, y más de 80 países en todo el mundo la utilizan de forma creciente para proporcionar energía eléctrica en sus redes de distribución, aumentando su capacidad anualmente con tasas por encima del 20 %. En España la energía eólica produjo un 20,3 % del consumo eléctrico de la península en 2014, convirtiéndose en la segunda tecnología con mayor contribución a la cobertura de la demanda, muy cerca de la energía nuclear con un 22,0 %.
La energía eólica es un recurso abundante, renovable y limpio que ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar fuentes de energía a base de combustibles fósiles. El impacto ambiental de este tipo de energía es además, generalmente, menos problemático que el de otras fuentes de energía.
La energía del viento es bastante estable y predecible a escala anual, aunque presenta variaciones significativas a escalas de tiempo menores. Al incrementarse la proporción de energía eólica producida en una determinada región o país, se hace imprescindible establecer una serie de mejoras en la red eléctrica local. Diversas técnicas de control energético, como una mayor capacidad de almacenamiento de energía, una distribución geográfica amplia de los aerogeneradores, la disponibilidad de fuentes de energía de respaldo, la posibilidad de exportar o importar energía a regiones vecinas o la reducción de la demanda cuando la producción eólica es menor, pueden ayudar a mitigar en gran medida estos problemas. Además, son de extrema importancia las previsiones de producción eólica que permiten a los gestores de la red eléctrica estar preparados y anticiparse frente a las previsibles variaciones en la producción eólica que puedan tener lugar a corto plazo.
La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan desde zonas de alta presión atmosférica hacia zonas adyacentes de menor presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión y así poder generar energía.
Los vientos se generan a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre debido a la radiación solar; entre el 1 y el 2 % de la energía proveniente del Sol se convierte en viento. Durante el día, los continentes transfieren una mayor cantidad de energía solar al aire que las masas de agua, haciendo que este se caliente y se expanda, por lo que se vuelve menos denso y se eleva. El aire más frío y pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.
Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas, nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y los valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima que depende del Aerogenerador que se vaya a utilizar pero que suele empezar entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4 km/h), velocidad llamada "cut-in speed", y que no supere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada cut-out speed.
La energía del viento se aprovecha mediante el uso de máquinas eólicas o aeromotores capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices o para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el más ampliamente utilizado en la actualidad, el sistema de conversión —que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red— es conocido como aerogenerador. En estos la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. Para que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos.
Una turbina eólica es una máquina que transforma la energía del viento en energía mecánica mediante unas aspas oblicuas unidas a un eje común. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos de maquinaria, sea para moler grano (molinos), bombear agua o generar electricidad. Cuando se usa para producir electricidad se le denomina generador de turbina de viento. Las máquinas movidas por el viento tienen un origen remoto, siendo las más antiguas las que funcionaban como molinos. La energía eólica es la energía que se obtiene del viento o, dicho de otro modo, es el aprovechamiento de la energía cinética de las masas de aire que puede convertirse en energía mecánica y a partir de ella en electricidad u otras formas útiles de Energía en cotidianas actividades humanas.
La energía eólica no es algo nuevo, es una de las energías más antiguas junto a la energía térmica. El viento como fuerza motriz se ha utilizado desde la antigüedad. Así, ha movido a barcos mediante el uso de velas o ha hecho funcionar la maquinaria de los molinos al mover sus aspas. Sin embargo, tras una época en la que se fue abandonando, a partir de los años ochenta del siglo XX este tipo de energía limpia experimentó un renacimiento.
La energía eólica crece de forma imparable ya en el siglo XXI, en algunos países más que en otros, pero sin duda alguna en España existe un gran crecimiento, siendo uno de los primeros países, por debajo de Alemania a nivel europeo o de Estados Unidos a escala mundial. El auge del aumento de parques eólicos se debe a las condiciones favorables de viento, sobre todo en Andalucía que ocupa un puesto principal, entre los que se puede destacar el golfo de Cádiz, ya que el recurso de viento es excepcional.
La referencia más antigua que se tiene es un molino de viento que fue usado para hacer funcionar un órgano en el siglo I. Los primeros molinos de uso práctico fueron construidos en Sistán, Afganistán, en el siglo VII. Estos eran molinos de eje vertical con hojas rectangulares. Se usaron artefactos para moler trigo o extraer agua hechos con 6 a 8 aspas de molino cubiertas con telas.
Los primeros molinos aparecieron en Europa en el siglo XII en Francia e Inglaterra y fueron extendiéndose por el continente. Eran unas estructuras de madera, conocidas como torres de molino, que se hacían girar a mano alrededor de un poste central para extender sus aspas al viento. El molino de torre se desarrolló en Francia a lo largo del siglo XIV. Consistía en una torre de piedra coronada por una estructura rotativa de madera que soportaba el eje del molino y la maquinaria superior del mismo.
Estos primeros ejemplares tenían una serie de características comunes. De la parte superior del molino sobresalía un eje horizontal. De este eje partían de cuatro a ocho aspas, con una longitud entre 3 y 9 metros. Las vigas de madera se cubrían con telas o planchas de madera. La energía generada por el giro del eje se transmitía, mediante un sistema de engranajes, a la maquinaria del molino emplazada en la base de la estructura.
Los molinos de eje horizontal fueron usados extensamente en Europa Occidental para moler trigo desde la década de 1180 en adelante. Basta recordar los famosos molinos de viento en las andanzas de Don Quijote. Todavía existen máquinas de este tipo, por ejemplo, en los Países Bajos para sacar agua.
En Estados Unidos, el desarrollo de bombas eólicas, reconocibles por sus múltiples aspas metálicas, fue el factor principal que permitió la agricultura y la ganadería en vastas áreas de Norteamérica, de otra manera imposible sin acceso fácil al agua. Estas bombas contribuyeron a la expansión del ferrocarril alrededor del mundo, cubriendo las necesidades de agua de las locomotoras a vapor.
Las turbinas eólicas modernas fueron desarrolladas a comienzos de la década de 1980. Comenzaron en 1979 con la producción en serie de turbinas de viento por los fabricantes Kuriant, Vestas, Nordtank, Nily Baltazar y Bonus. Aquellas turbinas eran pequeñas para los estándares actuales, con capacidades de 20 a 30 kW cada una. Desde entonces, la talla de las turbinas ha crecido enormemente, y la producción se ha expandido a muchos sitios.
Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la velocidad máxima del viento. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se vaya a utilizar pero que suele empezar entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4 km/h), velocidad llamada «cut-in speed«, y que no supere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada «cut-out speed«.
La energía del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores) capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices, como para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como aerogenerador.
La energía eólica alcanzó la paridad de red (el punto en el que el costo de esta energía es igual o inferior al de otras fuentes de energía tradicionales) en algunas áreas de Europa y de Estados Unidos a mediados de la década de 2000. La caída de los costos continúa impulsando a la baja el costo normalizado de esta fuente de energía renovable: se estima que alcanzó la paridad de red de forma general en todo el continente europeo en torno al año 2010, y que alcanzará el mismo punto en todo Estados Unidos en 2016, debido a una reducción adicional de sus costos del 12 %.
La instalación de energía eólica requiere de una considerable inversión inicial, pero posteriormente no presenta gastos de combustible. El precio de la energía eólica es por ello mucho más estable que los precios de otras fuentes de energía fósil, mucho más volátiles. El costo marginal de la energía eólica, una vez que la planta ha sido construida y está en marcha, es generalmente inferior a 1 céntimo de dólar por kWh. Incluso, este costo se ha visto reducido con la mejora tecnológica de las turbinas más recientes. Existen en el mercado palas para aerogeneradores cada vez más largas y ligeras, a la vez que se realizan constantemente mejoras en el funcionamiento de la maquinaria de los propios aerogeneradores, incrementando la eficiencia de los mismos. Igualmente, se han reducido los costos de inversión inicial y de mantenimiento de los parques eólicos.
En 2004, el costo de la energía eólica se había reducido a una quinta parte del que tenía en los años 1980, y los expertos consideran que la tendencia a la baja continuará en el futuro próximo, con la introducción en el mercado de nuevos aerogeneradores "multi-megavatio" cada vez más grandes y producidos en masa, capaces de producir hasta 8 megavatios de potencia por cada unidad. En 2012, los costos de capital de la energía eólica eran sustancialmente inferiores a los de 2008-2010, aunque todavía estaban por encima de los niveles de 2002, cuando alcanzaron un mínimo histórico. La bajada del resto de costos ha contribuido a alcanzar precios cada vez más competitivos. Un informe de 2011 de la Asociación Americana de la Energía Eólica (American Wind Energy Association) afirmaba:
Otro informe de la Asociación Británica de la Energía Eólica estima un costo de generación medio para la eólica terrestre de 5-6 céntimos de dólar por kWh (2005). El costo por unidad de energía producida se estimaba en 2006 como comparable al costo de la energía producida en nuevas plantas de generación en Estados Unidos procedente del carbón y gas natural: el costo de la eólica se cifraba en $55,80 por MWh, el del carbón en $53,10/MWh y el del gas natural en $52,50. Otro informe gubernamental obtuvo resultados similares en comparación con el gas natural, en 2011 en Reino Unido. En agosto de 2011 licitaciones en Brasil y Uruguay para compra a 20 años presentaron costos inferiores a los $65 por MWh.
En febrero de 2013, Bloomberg New Energy Finance informó de que el costo de la generación de energía procedente de nuevos parques eólicos en Australia es menor que el procedente de nuevas plantas de gas o carbón. Al incluir en los cálculos el esquema de precios actual para los combustibles fósiles, sus estimaciones indicaban unos costos (en dólares australianos) de $80/MWh para nuevos parques eólicos, $143/MWh para nuevas plantas de carbón y $116/MWh para nuevas plantas de gas. Este modelo muestra además que «incluso sin una tasa sobre las emisiones de carbono (la manera más eficiente de reducir emisiones a gran escala) la energía eólica es un 14 % más barata que las nuevas plantas de carbón, y un 18 % más que las nuevas plantas de gas.»
La industria eólica en Estados Unidos es actualmente capaz de producir mayor potencia a un costo menor gracias al uso de aerogeneradores cada vez más altos y con palas de mayor longitud, capturando de esta manera vientos mayores a alturas más elevadas. Esto ha abierto nuevas oportunidades, y en estados como Indiana, Míchigan y Ohio, el costo de la eólica procedente de aerogeneradores de entre 90 y 120 metros de altura puede competir con fuentes de energía convencionales como el carbón. Los precios han caído hasta incluso 4 céntimos por kWh en algunos casos, y las compañías distribuidoras están incrementando la cantidad de energía eólica en su modelo energético, al darse cuenta progresivamente de su competitividad.
El costo de la unidad de energía producida en instalaciones eólicas se deduce de un cálculo bastante complejo. Para su evaluación se deben tener en cuenta diversos factores, entre los cuales cabe destacar:
Existe una gran cantidad de aerogeneradores operando, con una capacidad total de 369 597 MW a finales de 2014, de los que Europa cuenta con el 36,3 %. China y los Estados Unidos representan juntos casi el 50 % de la capacidad eólica global, mientras que los primeros cinco países (China, EE. UU., Alemania, España e India) representaron el 71,7 % de la capacidad eólica mundial en 2014.
Alemania, España, Estados Unidos, India y Dinamarca han realizado las mayores inversiones en generación de energía eólica. Dinamarca es, en términos relativos, la más destacada en cuanto a fabricación y utilización de turbinas eólicas, con el compromiso realizado en los años 1970 de llegar a obtener la mitad de la producción de energía del país mediante el viento. En 2014 generó el 39,1 % de su electricidad mediante aerogeneradores, mayor porcentaje que cualquier otro país, y el año anterior la energía eólica se consolidó como la fuente de energía más barata del país.
La siguiente tabla muestra la capacidad total de energía eólica instalada al final de cada año (en megavatios) en todo el mundo, detallado por países. Datos publicados por el Global Wind Energy Council (GWEC).
A finales de 2018, España tenía instalada una capacidad de energía eólica de 23 507 MW, lo que supone el 22,6 % de la capacidad del sistema eléctrico nacional, la segunda fuente de energía del país por detrás del ciclo combinado con 26 284 MW. Se sitúa así en cuarto lugar en el mundo en cuanto a potencia instalada, detrás de China, EE. UU. y Alemania. Ese mismo año la energía eólica produjo 49 570 GWh, el 18,4 % de la demanda eléctrica.
El 29 de enero de 2015, la energía eólica alcanzó un máximo de potencia instantánea con 17 553 MW, cubriendo un 45 % de la demanda.
Asimismo, está creciendo bastante el sector de la minieólica. Existe una normativa de fabricación de pequeños aerogeneradores, del Comité Electrotécnico Internacional CEI (Norma IEC-61400-2 Ed2) la cual define un aerogenerador de pequeña potencia como aquel cuya área barrida por su rotor es menor de 200 m². La potencia que corresponde a dicha área dependerá de la calidad del diseño del aerogenerador, existiendo de hasta 65 kW como máximo.
El Reino Unido cerró 2008 con 4015 MW eólicos instalados, lo que supone una presencia testimonial en su producción eléctrica. Sin embargo es uno de los países del mundo que más capacidad eólica tiene planificada, y ya ha otorgado concesiones para alcanzar los 32 000 MW eólicos marinos en sus costas:
Según la administración británica “la industria eólica marina es una de las claves de la ruta del Reino Unido hacia una economía baja en emisiones de CO2 y debería suponer un valor de unos 75 000 millones de libras (84 000 millones de euros) y sostener unos 70 000 empleos hasta 2020”.
Suecia cerró 2009 con 1021 MW eólicos instalados y tiene planes para alcanzar los 14 000 MW en el año 2020, de los cuales entre 2500 y 3000 MW serán marinos.
El desarrollo de la energía eólica en los países de Centroamérica y Sudamérica está en sus inicios, y la capacidad conjunta instalada en ellos, hasta finales de 2013, llega a los 4709 MW. El desglose de potencia instalada por países es el siguiente:
(*) Incluye: Aruba, Bonaire, Curazao, Cuba, Dominica, República Dominicana, Guadalupe, Jamaica, Martinica.
(**) Incluye: Colombia, Ecuador, Venezuela.
A finales de 2013, la potencia instalada acumulada por países del continente es la siguiente:
Debido a la variabilidad natural y la impredecibilidad del viento, para que la energía eólica pueda ser usada como única fuente de energía eléctrica es necesario almacenar la energía que se produce cuando hay viento para poder luego utilizarla cuando no lo hay. Pero hasta el momento no existen sistemas lo suficientemente grandes como para almacenar cantidades considerables de energía de forma eficiente. Por lo tanto, para hacer frente a los valles en la curva de producción de energía eólica y evitar apagones generalizados, es indispensable un respaldo de las energías convencionales como centrales termoeléctricas de carbón, gas natural, petróleo o ciclo combinado o centrales hidroeléctricas reversibles, por ejemplo. Esto supone un inconveniente, puesto que cuando respaldan a la eólica, las centrales de carbón no pueden funcionar a su rendimiento óptimo, que se sitúa cerca del 90% de su potencia. Tienen que quedarse muy por debajo de este porcentaje para poder subir sustancialmente su producción en el momento en que amaine el viento. Es por ello que, cuando funcionan en este modo, las centrales térmicas consumen más combustible por kWh producido.[cita requerida] Además, al aumentar y disminuir su producción cada vez que cambia la velocidad del viento se produce un desgaste mayor de la maquinaría.[cita requerida] Este problema del respaldo en España se va a tratar de solucionar mediante una interconexión con Francia que permita emplear el sistema europeo como colchón de la variabilidad eólica.[cita requerida] Además, la variabilidad en la producción de energía eólica tiene otras importantes consecuencias:
Aunque estos problemas parecen únicos a la energía eólica, son comunes a todas las energías de origen natural:
Una de las formas de paliar la falta de control sobre los recursos renovables (viento, radiación solar), son los llamados sistemas híbridos, donde se combinan fuentes de energía junto con almacenamiento. Hay una tendencia a la creación de centrales renovables en las que participan generadores eólicos, solares y almacenamiento por baterías (por lo general de ion litio). En países como Australia o Estados Unidos se está regulando su uso e incluso se definen tarifas específicas para la inyección de energía desde estas centrales que comienzan a competir de igual a igual con las centrales basadas en combustibles fósiles, dado que comienzan a tener una previsión de generación a un día vista o más.
La microgeneración de energía eólica consiste en pequeños sistemas de generación de hasta 50 kW de potencia. En comunidades remotas y aislada, que tradicionalmente han utilizado generadores diésel, su uso supone una buena alternativa. También es empleada cada vez con más frecuencia por hogares que instalan estos sistemas para reducir o eliminar su dependencia de la red eléctrica por razones económicas, así como para reducir su impacto medioambiental y su huella de carbono. Este tipo de pequeñas turbinas se han venido usando desde hace varias décadas en áreas remotas junto a sistemas de almacenamiento mediante baterías.
Las pequeñas turbinas aerogeneradoras conectadas a la red eléctrica pueden utilizar también lo que se conoce como almacenamiento en la propia red, reemplazando la energía comprada de la red por energía producida localmente, cuando esto es posible. La energía sobrante producidad por los microgeneradores domésticos puede, en algunos países, ser vertida a la red para su venta a la compañía eléctrica, generando ingresos al propietario de la instalación que amortice la instalación.
Los sistemas desconectados de la red pueden adaptarse a la intermitencia del viento, utilizar baterías, sistemas fotovoltaicos o generadores diésel que complementen la energía producida por la turbina. Otros equipos, como pueden ser parquímetros, señales de tráfico iluminadas, alumbrado público, o sistemas de telecomunicaciones pueden ser también alimentados mediante un pequeño aerogenerador, generalmente junto a un sistema fotovoltaico que cargue unas pequeñas baterías, eliminando la necesidad de la conexión a la red.
La minieólica podría generar electricidad más barata que la de la red en algunas zonas rurales de Reino Unido, según un estudio de la organización Carbon Trust, publicado en 2010. Según ese informe, los mini aerogeneradores podrían llegar a generar 1,5 TWh de electricidad al año en Reino Unido, un 0,4 % del consumo total del país, evitando la emisión de 0,6 millones de toneladas de CO2. Esta conclusión se basa en el supuesto de que el 10 % de las viviendas instalara miniturbinas eólicas a precios competitivos con aquellos de la red eléctrica, en torno a 12 peniques (unos 0,17 €) por kWh. Otro informe preparado en 2006 por Energy Saving Trust, una organización dependiente del Gobierno de Reino Unido, dictaminó que la microgeneración (de diferente tipo: eólica, solar, etc.) podría proporcionar hasta el 30 % o 40 % de la demanda de electricidad en torno al año 2050.
La generación distribuida procedente de energías renovables se ha incrementado en los últimos años, como consecuencia de la mayor concienciación acerca de la influencia del ser humano en el cambio climático. Los equipos electrónicos requeridos para permitir la conexión de sistemas de generación renovable a la red eléctrica pueden además incluir otros sistemas de estabilidad de la red para asegurar y garantizar la calidad del suministro eléctrico.
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