Cómo funcionan las turbinas eólicas: esto es lo que necesita saber

Parecen hélices de avión corriendo en círculos sobre el terreno, dando vueltas y vueltas durante todo el día. Las turbinas eólicas toman la energía cinética del viento y usan sus rotores gigantes para capturar parte de ella y convertirla en electricidad, y pueden jugar un papel clave para salvarnos del cambio climático catastrófico. Echemos un vistazo más de cerca a cómo funcionan realmente las turbinas eólicas.

Crédito de la imagen: Flickr / Richard Edmond

Las turbinas eólicas se basan en un principio simple, en esencia: el viento hace girar las palas, lo que hace que gire el eje, que está conectado a un generador, que produce electricidad. Cuanto más fuerte es el viento, más electricidad se genera. Es por eso que solemos ver parques eólicos a escala industrial con torres altas y palas grandes en todo el mundo: las palas más grandes pueden acumular más energía y son más eficientes. Pero si bien el principio básico es simple, la tecnología es compleja.

Los molinos de viento hacen que el mundo gire

Una turbina es una máquina que gira y capta parte de la energía que pasa. Todo tipo de máquinas utilizan turbinas, desde motores a reacción hasta plantas hidroeléctricas. En una turbina eólica, las palas del rotor son la parte de la “turbina”, similar a las alas aerodinámicas de un avión. Tienen una forma curva y ganan energía cinética (energía de movimiento) cuando sopla el viento.

Aunque hablamos de “turbinas eólicas”, la turbina es en realidad solo una parte de estas máquinas. Para la mayoría de las turbinas, otra parte clave es el generador, cuyos engranajes convierten la rotación relativamente lenta de las palas giratorias en un movimiento de mayor velocidad. Entonces el viento proporciona el movimiento y el par y el generador hace el resto, siendo una parte esencial de todas las turbinas.

Cuanto más largas sean las palas del rotor, más energía pueden capturar del viento. Las palas multiplican la fuerza del viento como una rueda y un eje, por lo que una brisa suele ser suficiente para hacer que las palas giren. Aun así, las turbinas eólicas no generan la máxima potencia la mayor parte del tiempo, una característica deliberada de su diseño para trabajar de manera eficiente con vientos en constante cambio.

Una turbina eólica típica góndola es de 85 metros (280 pies) fuera de la Tierray hay una buena razón para ello. El viento viaja mucho más rápido cuando está libre de obstáculos a nivel del suelo. Entonces, si las palas del rotor de una turbina están altas en el aire, pueden capturar mucha más energía eólica de la que obtendrían más abajo, y capturar energía es de lo que se tratan las turbinas eólicas.

La mayoría de las turbinas eólicas tienen una capacidad de 2-3 megavatios (MW), que pueden producir más de 6 millones de kilovatios-hora (kwh) de electricidad cada año. Eso es suficiente para satisfacer la demanda de electricidad de alrededor de 1.500 hogares. Cuanto más rápido sopla el viento, más electricidad se genera, hasta cierto nivel. Si el viento es demasiado fuerte, las turbinas se apagarán para evitar daños.

Los parques eólicos están planeados para asegurarse de que estén en lugares con una cantidad confiable de viento durante todo el año. Esto tiende a estar en la cima de una colina con mucho espacio abierto alrededor y en ubicaciones costeras. Una turbina eólica suele tener una eficiencia del 30-45%, aumentando hasta un 50% en los momentos de vientos máximos. Si fueran 100% eficientes, el viento disminuiría después de pasar por la turbina.

Tipos de aerogeneradores

Hay dos tipos básicos de turbinas eólicas, de eje horizontal y de eje vertical, y el tamaño de la turbina varía ampliamente. La longitud de las palas es el factor más importante para determinar la cantidad de electricidad que puede generar una turbina eólica. Mientras que las turbinas pequeñas pueden generar alrededor de 10 KW, la más grande en operación puede generar hasta 10MW. Actualmente se están desarrollando otros más grandes, especialmente para el mar.

Las turbinas de eje horizontal son las más comunes con diferencia; estas son las turbinas eólicas con las que la mayoría de nosotros estamos familiarizados. La mayoría de estas turbinas tienen tres palas y operan contra el viento, con la turbina girando en la parte superior de la torre de modo que las palas miran hacia el viento.

Mientras tanto, las turbinas de eje vertical son más similares a un batidor de huevos que a la hélice de un avión. Son omnidireccionales, lo que significa que no tienen que ajustarse para apuntar al viento para funcionar. Las palas que se adjuntan son la parte superior e inferior del rotor vertical. Como no funcionan tan bien como los horizontales, son mucho menos comunes, pero ofrecen una gran promesa en algunas situaciones.

Usando turbinas eólicas

Las turbinas eólicas terrestres pueden conectarse a una red eléctrica de servicios públicos, combinarse con un sistema fotovoltaico o incluso ser utilizadas como aplicaciones independientes por propietarios y agricultores. Para las fuentes de energía eólica a gran escala (del tamaño de megavatios), generalmente se construye una gran cantidad de turbinas eólicas juntas para formar una planta eólica, también conocida como parque eólico.

Cuando se instalan turbinas de cualquier tamaño en el lado del “cliente” del medidor eléctrico, se denominan turbinas eólicas “distribuidas”. La mayoría de las turbinas que se encuentran actualmente en aplicaciones distribuidas son pequeñas y se utilizan para aplicaciones residenciales, agrícolas e industriales pequeñas.

Tener una turbina puede incluso darte ganancias, ya que puedes vender la energía extra que no usas (si la red nacional lo permite). Sin embargo, instalar una turbina eólica es generalmente más complicado que algo como un panel solar.

Crédito de la imagen: Flickr / Paul

La energía eólica marina es una industria relativamente nueva en todo el mundo. Las turbinas tienden a ser masivas, incluso más altas que la Estatua de la Libertad en algunos casos. Sus componentes son transportados por barcos y barcazas, lo que reduce los desafíos logísticos de las turbinas terrestres. Pueden capturar poderosos vientos oceánicos y generar grandes cantidades de energía.

La electricidad producida por las turbinas eólicas marinas regresa a la tierra a través de una serie de sistemas de cables que están enterrados en el lecho marino. Esta electricidad se canaliza a través de centros de carga costeros que priorizan dónde debe ir la electricidad y la distribuyen a la red eléctrica para alimentar hogares, escuelas y negocios. Esto hace que las turbinas eólicas marinas sean más caras de instalar y administrar, pero también producen más energía, una compensación común.

Ventajas y desventajas de las turbinas eólicas.

Es difícil imaginar por qué alguien se opondría a las turbinas eólicas limpias y ecológicas, especialmente en comparación con las plantas sucias de carbón. Pero tienen algunas desventajas que deben considerarse detenidamente.

En primer lugar, no generan tanta energía como las plantas convencionales de gas, nuclear o carbón. Una turbina típica tiene una potencia máxima de 2MW, suficiente para suministrar 1.000 viviendas, si produce energía el 30% del tiempo. Las turbinas eólicas marinas más grandes pueden hacer 13 MW ya que los vientos son más fuertes y persistentes en el mar, alimentando a unos 6.500 hogares, lo que significa que necesitaríamos 1.000 turbinas de 2MW para generar tanta energía como una central nuclear considerable (2.000MW) o una estación de combustible fósil. En la práctica, como las centrales nucleares y de combustibles fósiles producen energía de forma constante mientras que el viento es variable, necesitaría bastante más. La energía eólica es variable y una red eléctrica eficiente necesita un suministro de energía predecible para satisfacer la demanda variable.

Es por eso que una mezcla de diferentes tipos de energía sería ideal. Algunos de estos generarán energía siempre que puedan, como el viento, otros operarán continuamente, como la energía nuclear, algunos producirán energía en las horas pico, como las plantas hidroeléctricas y algunos aumentarán o disminuirán la energía en poco tiempo, como el gas natural. Las baterías grandes y eficientes pueden solucionar este problema, pero el viento no puede ser la única forma de energía en la mezcla.

Las turbinas eólicas tampoco se pueden atascar entre sí. Deben estar espaciados a cierta distancia y ocupar mucho espacio. Alimentar a todo un país solo con viento requeriría cubrir una vasta área de tierra con turbinas. Conectar muchas turbinas eólicas a la red eléctrica también puede ser mucho más difícil que simplemente conectar una sola planta de energía.

Las turbinas también pueden ser molestas para la vida silvestre, ya que son bastante ruidosas, llevan humanos al área y representan un riesgo de colisión significativo para las aves. El diseño de la mayoría de las turbinas las hace difíciles de ver para las aves, lo que promueve los impactos. Es por eso que los estudios han sugerido pintar una de las palas del rotor en negro para ayudar a las aves a ver las turbinas y evitar colisiones.

En el lado positivo, las turbinas eólicas son una fuente líder de energía limpia. Una vez construidos, no generan emisiones de dióxido de carbono, que están provocando el calentamiento global, ni las emisiones de dióxido de azufre, que provocan la lluvia ácida. La energía que producen es ilimitada y gratuita durante un vida útil típica de 25 años, a excepción de repuestos y mantenimiento.

Construirlos tiene cierto impacto ambiental ya que las torres y las góndolas tienen cimientos de metal y concreto para evitar que se caigan. Reciclar turbinas eólicas es notoriamente difícil y actúa como una especie de “talón de Aquiles” de la energía eólica.

Aun así, tienen una de las emisiones de dióxido de carbono más bajas de cualquier forma de generación de energía cuando se considera su vida útil completa. Ellos son también mucho mas barato en términos de kilovatios-hora de energía que producen.

¿Qué tan grande es la energía eólica ahora?

El año pasado fue el mejor año de la historia para la industria eólica mundial con 93 GW de nueva capacidad instalada, un aumento interanual del 53%, según el Consejo Global de Energía Eólica (GWEC). Hoy en día hay 743 GW de capacidad de energía eólica en todo el mundo, lo que ayuda a evitar 1.100 millones de toneladas de CO2 a nivel mundial, lo que equivale a las emisiones anuales de América del Sur.

Aún así, este crecimiento no es suficiente para garantizar que el mundo se convierta en carbono neutral para 2050, como se acordó en el Acuerdo de París de 2015 sobre el cambio climático. El mundo necesita estar instalando energía eólica tres veces más rápido durante la próxima década para mantenerse en un camino de cero y evitar los peores impactos del cambio climático, según las estimaciones de GWEC.

La energía eólica ciertamente jugará un papel importante en los próximos años, ya que el mundo se despide de las fuentes de energía de combustibles fósiles para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Pero la importancia dependerá de en qué parte del mundo se encuentre y si hay mejores alternativas. En países con clima ventoso (por lo tanto, la gran mayoría del mundo), definitivamente será un fuerte contendiente.