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Energía Eólica
La energía eólica ya es más barata que la solar e hidroeléctrica — US$0,033/kWh — y representa el 10,6% de la matriz brasileña. Comprende la tecnología, el potencial nacional y las tendencias.
Por Marcelo Dias
sept 22, 2022
Transición Energética
Visión general
La energía eólica, es decir, la energía extraída del viento, es usada desde hace mucho tiempo por los humanos en diversas aplicaciones: en molinos de viento, para mover barcos, para bombear agua, entre otros usos. Sin embargo, aunque existen turbinas eólicas para generar electricidad que datan de la década de 1930, las investigaciones sobre el uso acelerado de esta tecnología como medio de generación de electricidad comenzaron en la década de 1970, motivadas por el aumento sustancial de los precios del petróleo ocurrido en la época (Burton et al., 2001).
Actualmente, este tipo de energía es altamente incentivado debido a las preocupaciones con los cambios climáticos. La energía eólica presenta bajas emisiones de CO2 (restringida a los procesos de fabricación, instalación y descarte), además de aplicabilidad en diversas regiones del mundo, además de ser, actualmente, bastante competitiva en términos financieros.
El último informe de la Agencia Internacional de Energía Renovable (IRENA, 2021) mencionó que el costo de la energía eólica continuó en tendencia de caída. Entre 2010 y 2021, el costo de la energía eólica onshore cayó un 68%, costando actualmente en promedio US$ 0,033/kWh, mientras que la energía eólica offshore cuesta actualmente en promedio US$ 0,075/kWh. Para comparación con otras energías renovables, la energía eólica onshore tiene actualmente un costo por kWh menor que la fotovoltaica y la hidroeléctrica, ambas con un costo promedio de US$ 0,048/kWh. Además, la inversión en nuevos parques eólicos es actualmente más barata que la inversión en la opción menos costosa que utiliza combustibles fósiles, conforme se muestra en la Figura 1 (IRENA, 2021). La tendencia de aumento del precio de los combustibles fósiles favoreció aún más el uso de fuentes de energía renovables. La energía eólica offshore, por otro lado, tiene costos más altos, especialmente debido a la mayor complejidad de la construcción y también de la conexión de la turbina a la red eléctrica.
Figura 1: Costo de la energía generada por fuentes Solar y Eólica (IRENA, 2021)
El aumento de la capacidad y eficiencia de las turbinas eólicas se dio principalmente por el aumento del diámetro de las máquinas, además de mejoras en el desempeño y optimización del proyecto. En 2016, por ejemplo, ya estaban disponibles turbinas comerciales con capacidad de 8 MW y 164 metros de diámetro (IRENA, 2016), y la mayor turbina eólica del mundo, en fase operativa, posee un rotor con un diámetro de 222 metros. La empresa china MingYang afirma estar construyendo una turbina con rotor de 242 metros de diámetro y capacidad de 16 MW de potencia, con previsión de instalación del prototipo en 2023. El fabricante Vestas posee un prototipo de 236 metros de diámetro y 15 MW de potencia.
A nivel nacional, la energía eólica figura actualmente como una de las más importantes fuentes de generación renovable. En 2021, Brasil tenía 21.161 MW (IRENA, 2022) de capacidad instalada de energía eólica. Para fines de comparación, Brasil tiene 109.426 MW de capacidad hidroeléctrica y 13.055 MW de capacidad instalada de energía solar. La capacidad total de energía renovable en Brasil es de 159.943 MW y, por lo tanto, la energía eólica representa aproximadamente el 13,2% de la producción de energía renovable (IRENA, 2022). La EPE proporciona datos más detallados y, en el balance energético anual de 2022 (año base 2021), informó un aumento en la participación de la energía eólica en relación con la energía total generada, al 10,6%, debido a la escasez hídrica ocurrida durante el año. De cualquier forma, la energía eólica tiene una considerable importancia en la matriz energética brasileña.
Una desventaja de la energía eólica, en comparación con la energía generada por combustibles fósiles, como las termoeléctricas, es que es una fuente de energía intermitente que depende de condiciones variables de viento. Además, la producción de energía depende significativamente del potencial de la región donde las plantas están instaladas. Por ese motivo, en Brasil, el mayor potencial de generación eólica se concentra en la región Noreste, con presencia también en la región Sur, como muestra la Figura 2. Consecuentemente, las plantas eólicas brasileñas se concentran principalmente en esas regiones. El potencial de generación offshore en Brasil también es notable, aunque todavía es poco explorado. La instalación offshore permite el uso de rotores mayores, ya que el nivel de ruido es un problema menor en alta mar.
Figura 2: Mapa de velocidades de los vientos en Brasil (Global Wind Atlas)
Aspectos Técnicos
Esencialmente, la turbina eólica es un dispositivo mecánico diseñado para extraer energía cinética presente en el viento. Las palas de los rotores de las turbinas eólicas poseen un perfil aerodinámico, de modo que el flujo incidente generará una fuerza de sustentación en las palas, que mantendrá la turbina girando. La fuerza de sustentación es la misma responsable de, por ejemplo, mantener un avión en el aire cuando está volando a alta velocidad.
Por lo tanto, el principal parámetro de desempeño utilizado para medir la eficiencia de una turbina eólica es el coeficiente de potencia, que relaciona la energía disponible en el viento que pasa por el área del rotor de la turbina, y la potencia aerodinámica extraída por la turbina. El valor teórico máximo de este coeficiente es de aproximadamente 0,59 (deducido de las relaciones de mecánica de fluidos), y cuanto más cerca pueda llegar una turbina eólica de este límite, mayor será su eficiencia.
Otro aspecto técnico importante en la operación de una turbina eólica es la razón de velocidad de la punta de la pala, conocida como TSR (Tip Speed Ratio), y frecuentemente representada por la letra griega λ. Este parámetro adimensional es una medida de la velocidad de la punta de la pala de la turbina, en relación con la velocidad del viento incidente. La velocidad de la punta de la pala, a su vez, depende de la velocidad de rotación del proyecto y del diámetro de la turbina. Este parámetro es esencial para definir el tipo de turbina a instalar en un determinado lugar, de acuerdo con las velocidades medias del viento en ese sitio. La Figura 3 muestra algunos rangos de desempeño para diferentes tipos de turbinas eólicas:
Figura 3: Rangos típicos de desempeño de turbinas eólicas (Alabdali et al., 2020)
Como puede observarse, las conocidas turbinas eólicas de eje horizontal presentan el mayor valor para el coeficiente de potencia entre las tecnologías presentadas en la figura y, por eso, son ampliamente utilizadas actualmente. Las turbinas de eje horizontal son particularmente eficientes en regiones con vientos considerados más estables y con mayor incidencia, y actualmente, casi todos los grandes parques eólicos del mundo utilizan turbinas de eje horizontal.
Sin embargo, para uso en el modo de generación distribuida, este tipo de turbina presenta algunas desventajas, principalmente en cuanto a la operación en condiciones en las cuales la velocidad del viento es muy inestable y de difícil previsión, como ambientes urbanos, llenos de obstáculos. El nivel de ruido también es un punto negativo de las turbinas eólicas de eje horizontal.
En este sentido, las turbinas eólicas de eje vertical, como la Darrieus, basada en el soporte; o la Savonius, basada en la fuerza de arrastre generada por el viento; presentan mayor adaptabilidad para operar en condiciones de viento más inestables, aunque su nivel de eficiencia sea menor, conforme se muestra en la Figura 3. Además, estas turbinas presentan menores niveles de ruido y son fáciles de instalar, siendo una solución potencial para su uso como fuente de generación distribuida en ambientes urbanos.
Las turbinas eólicas de eje vertical también requieren velocidades de viento menores para entrar en operación, en comparación con las turbinas de eje horizontal (Kumar et al., 2018). Aunque su uso aún no está ampliamente difundido, las turbinas eólicas de eje vertical pueden ser utilizadas en ambientes urbanos, así como en carreteras con alto flujo de vehículos. Actualmente, son particularmente utilizadas en ambientes urbanos en China (IRENA, 2016).
El ambiente desafiante del uso de la generación eólica en entornos urbanos se debe a la mayor dificultad de previsión de las condiciones de viento, además del problema de menor eficiencia presentado por las turbinas eólicas de eje vertical, o problemas de ruido y baja adaptabilidad de las turbinas eólicas de eje horizontal.
Concluyendo, la energía eólica es muy relevante en el mundo, presentando un crecimiento acelerado en los últimos años, tendencia que se repitió en Brasil. El aumento de los precios de los combustibles fósiles, aliado a la mayor presión para acelerar la transición energética, hará que la energía eólica sea aún más relevante en el escenario global. Mejoras en los proyectos, aliadas a la reducción de costos de aerogeneradores de eje horizontal, han viabilizado instalaciones en tierra y en el mar, donde aún hay potencial inexplorado y con tendencia a crecer. Brasil también tiene todavía potencial inexplorado, aunque la matriz eléctrica ya es mayoritariamente renovable. Finalmente, la instalación de aerogeneradores de pequeño porte de eje vertical puede ser una aliada en la generación distribuida, contribuyendo a la transición energética.
Referencias
Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N., & Bossanyi, E. (2001). Manual de Energía Eólica.
IRENA. (2016). Resumen de la Tecnología de Energía Eólica.
IRENA. (2021). Costos de Generación de Energía Renovable en 2021.
IRENA. (2022). Estadísticas de Capacidad Renovable 2022.Kumar, R., Raahemifar, K., & Fung, A. S. (2018). Una revisión crítica de turbinas eólicas de eje vertical para aplicaciones urbanas. En Renewable and Sustainable Energy Reviews (Vol. 89, pp. 281–291). Elsevier Ltda. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.033