Energía eólica por centavos

La turbina eólica más nueva que se encuentra en Rocky Flats en Colorado, el campo de pruebas del Departamento de Energía de los EE. UU. Para las tecnologías de energía eólica, se parece mucho a cualquier otro aparato para capturar energía del viento: una turbina cuadrada se asienta sobre una torre de acero de la que brotan dos palas de hélice que se extienden un combinados 40 metros, casi la mitad de la longitud de un campo de fútbol. El viento pasa rápidamente, las palas giran y la electricidad fluye. Pero hay una diferencia clave. Este prototipo tiene hojas flexibles con bisagras; con vientos fuertes, se inclinan ligeramente hacia atrás mientras giran. La flexión es apenas perceptible para un observador casual, pero es una desviación radical de cómo funcionan las turbinas eólicas existentes, y puede cambiar el destino de la energía eólica.

De hecho, el éxito del prototipo en Rocky Flats llega en un momento crucial en la evolución de la energía eólica. Los generadores eólicos siguen siendo una tecnología de nicho que produce menos del uno por ciento de la electricidad de EE. UU. Pero el año pasado, se instalaron 1.700 megavatios de nueva capacidad eólica en los Estados Unidos, suficiente para alimentar 500.000 casas, casi duplicando la capacidad de energía eólica del país. Y hay más en camino. Los fabricantes han reducido cuatro veces el costo de las turbinas eólicas de servicio pesado desde 1980, y estas gigantescas máquinas ahora son lo suficientemente confiables y eficientes como para construirse en alta mar. Un parque eólico de 80 turbinas y 245 millones de dólares en construcción frente a la costa danesa será el más grande del mundo, y los desarrolladores también están comenzando a colonizar aguas alemanas, holandesas y británicas. En América del Norte, los especuladores imaginan parques eólicos marinos masivos cerca de Columbia Británica y Nantucket, MA.

Esta historia fue parte de nuestro número de julio de 2002

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Pero todavía hay una nube negra flotando sobre este escenario aparentemente soleado. Las turbinas eólicas siguen siendo caras de construir, a menudo prohibitivamente. En promedio, la construcción de un parque de turbinas eólicas cuesta alrededor de $ 1 millón por megavatio, en comparación con alrededor de $ 600 000 por megavatio para una planta de energía convencional a gas; En los cálculos económicos de las empresas eléctricas, el hecho de que el viento sea gratuito no cierra esta brecha. En resumen, el precio de la construcción de energía eólica debe bajar si alguna vez va a ser más que una tecnología de nicho.

Y ahí es donde entra en juego el prototipo de Rocky Flats. La flexibilidad de sus álabes permitirá que la turbina sea un 40 por ciento más ligera que el estándar actual de la industria, pero igual de capaz de sobrevivir a tormentas destructivas. Y ese peso más liviano podría significar máquinas que son entre un 20 y un 25 por ciento más baratas que las grandes turbinas de hoy.

Los esfuerzos anteriores en diseños más livianos fueron fallas universales: desactivados o destruidos, algunos en semanas, por el viento mismo. Dadas estas fallas, los expertos en viento son comprensiblemente cautelosos con la última oportunidad de un diseño liviano. Pero la mayoría está de acuerdo en que las turbinas eólicas ligeras, si funcionan, cambiarán la ecuación económica. La pregunta sería: ¿Cómo se construye la capacidad de transmisión lo suficientemente rápido para mantenerse al día con el crecimiento? Dice Ward Marshall, un desarrollador de energía eólica en American Electric Power, con sede en Columbus, Ohio, que forma parte de la junta directiva de American Wind. Energy Association, un grupo comercial. Tendría mucha gente dispuesta a registrarse.

Y, dicen los expertos, el prototipo de Rocky Flats, diseñado por Wind Turbine de Bellevue, WA, es la mejor esperanza en años para un diseño liviano que finalmente tendrá éxito. Puedo decir de manera bastante inequívoca que este es un paso dramático en la tecnología liviana [de turbinas eólicas], dice Bob Thresher, director del Centro Nacional de Tecnología Eólica en Rocky Flats. Nadie más ha construido una máquina tan flexible y la ha hecho funcionar.

Firme mientras sopla

Las turbinas eólicas son como ventiladores gigantes que funcionan al revés. En lugar de palas impulsadas por motor que empujan el aire, utilizan aspas aerodinámicas que atrapan el viento y hacen girar un generador que bombea electricidad. Muchas de las turbinas de hoy son máquinas gigantescas con rotores de tres palas que se extienden de 80 a 20 metros más que la envergadura de un Boeing 747. Y ahí radica el desafío tecnológico. El enorme tamaño es necesario para que las turbinas eólicas comerciales puedan competir económicamente porque la producción de energía aumenta exponencialmente con la longitud de las palas. Pero estas vastas estructuras deben ser lo suficientemente resistentes para soportar vendavales y turbulencias extremas.

En las décadas de 1970 y 1980, los pioneros de la energía eólica en EE. UU. Hicieron los primeros esfuerzos serios para combatir estas fuerzas con máquinas ligeras y flexibles. Varias nuevas empresas instalaron miles de tales turbinas eólicas; la mayoría fueron literalmente destrozados o inutilizados por ráfagas. Llevando la experimentación liviana al extremo, General Electric y Boeing construyeron prototipos mucho más grandes, gigantes con palas de 80, 90 e incluso 100 metros de largo. Estos también resultaron propensos a romperse; en algunos casos, sus espadas se doblaron hacia atrás y golpearon las torres.

En total, las empresas estadounidenses y el Departamento de Energía gastaron cientos de millones de dólares en estos experimentos fallidos en la década de 1980 y principios de la de 1990. El modelo estadounidense siempre se ha inclinado hacia la luz, lo sofisticado y las cosas que no funcionaron, dice James Manwell, un ingeniero mecánico que dirige el laboratorio de investigación de energías renovables de la Universidad de Massachusetts en Amherst, MA.

En este estancamiento tecnológico navegaron investigadores del Laboratorio Nacional Ris de Dinamarca y empresas danesas como Vestas Wind Systems. Durante las últimas dos décadas, perfeccionaron una versión de alta resistencia de la turbina eólica, y se ha convertido en el Microsoft Windows de la industria de la energía eólica. Hoy en día, este diseño danés representa prácticamente toda la electricidad generada por el viento en todo el mundo. Quizás reflejando las inclinaciones nacionales, estos robustos diseños daneses tenían poco del destello aerodinámico de las turbinas eólicas estadounidenses anteriores; simplemente estaban reforzados contra el viento con acero y materiales compuestos más pesados ​​y gruesos. Eran duros, resistentes y funcionaron.

Es más, en los últimos años, la electrónica de potencia (interruptores de silicio digitales que masajean el flujo de electricidad de la máquina) mejoraron aún más el diseño básico. Anteriormente, el rotor de la turbina se mantenía a una velocidad constante de rotación para que su salida de corriente alterna estuviera sincronizada con la red eléctrica; los nuevos dispositivos mantienen la sincronización mientras permiten que el rotor acelere y desacelere libremente con el viento. Si recibe una ráfaga, el rotor puede acelerar en lugar de quedarse allí y recibir la fuerza bruta del viento, dice Manwell.

Dominar estas cepas permitió que el diseño danés creciera cada vez más. Mientras que a principios de la década de 1980 una máquina comercial típica tenía una longitud de hoja de 12,5 metros y podía producir 50 kilovatios, suficiente para una docena de hogares, las hojas más grandes de hoy se extienden 80 metros y producen dos megavatios; una sola máquina puede alimentar más de 500 hogares.

El desafío más reciente al que se enfrenta el diseño danés es encontrar formas de resistir el corrosivo y castigador entorno en alta mar, donde pueden pasar meses antes de que un mecánico pueda abordar y reparar una turbina de manera segura. Vestas, por ejemplo, está equipando sus turbinas con sensores en cada uno de sus componentes para detectar el desgaste y los sistemas de respaldo para hacerse cargo en el caso de, digamos, una falla en la electrónica de potencia.

El enfoque de Vestas se pondrá a prueba este verano, cuando el proveedor de energía de Dinamarca comience a instalar 80 máquinas Vestas en aguas poco profundas a 14 o 20 kilómetros de la costa danesa. Será el parque eólico marino más grande del mundo, con hasta 150.000 hogares daneses.

Sombras de viento

Estas actualizaciones harán que las turbinas grandes y pesadas sean más confiables, pero no se suman a un cambio fundamental en la economía de la energía eólica. Países como Dinamarca y Alemania están dispuestos a pagar por la energía eólica en parte porque los combustibles fósiles son mucho más costosos en Europa, donde los impuestos más altos cubren los costos ambientales y de salud asociados con su quema. (Aproximadamente el 20 por ciento de la energía de Dinamarca proviene del viento). Pero para que la energía eólica sea realmente competitiva en costos con los combustibles fósiles en los Estados Unidos, la tecnología debe cambiar.

Lo que hace que el diseño de Rocky Flats de Wind Turbine sea tan diferente no son solo sus palas con bisagras, sino también su orientación a favor del viento. El diseño danés enfrenta las palas al viento y las hace pesadas para que no se doblen hacia atrás y se estrellen contra la torre. El diseño de la turbina eólica no puede hacer frente al viento, las palas con bisagras golpearían la torre, por lo que el rotor se coloca a favor del viento. Finalmente, utiliza dos hojas, en lugar de las tres en el diseño tradicional, para reducir aún más el peso.

Los avances en el modelado por computadora de fuerzas tan peligrosas como la vibración ayudaron al desarrollo del diseño. Las cuchillas flexibles añaden una dimensión adicional al movimiento de la máquina; también lo hace el hecho de que toda la máquina puede girar libremente con el viento. (Los diseños tradicionales se impulsan para enfrentar el viento y luego se bloquean en su lugar). Predecir, detectar y prevenir desastres, como vientos que cambian rápidamente que hacen girar un rotor en contra del viento y envían sus palas flexibles a la torre, son desafíos de control incluso con el mejor diseño. Si no lo hace bien, la máquina puede literalmente golpearse hasta la muerte, dice Ken Deering, vicepresidente de ingeniería de Wind Turbine.

Hace dos años, cuando se montó el prototipo de aerogenerador en Rocky Flats, existía la preocupación de que esta máquina también se matara a golpes. Thresher dice que parte de su personal temía que la máquina, como sus predecesoras de la década de 1980, no escapara mucho tiempo al montón de chatarra. Hoy, a pesar de algunos contratiempos menores, esas dudas se están desvaneciendo.

Envalentonado por su éxito inicial, Wind Turbine ha instalado, cerca de Lancaster, CA, un segundo prototipo, con una envergadura de palas de 48 metros más grande. Para fines de este año, la compañía espera aumentar la longitud de la hoja de esta máquina a 60 metros de tamaño comercial completo. Es más, este nuevo prototipo tiene una torre más delgada, cuyo objetivo es reducir el ruido sordo, conocido como sombra de viento, que puede ocurrir cada vez que una cuchilla atraviesa el área de aire turbulento detrás de la torre. Y con su peso más ligero, la turbina podría montarse sobre torres más altas, alcanzando vientos más rápidos.

Encalmado

Independientemente de los avances tecnológicos, sin embargo, la industria de la energía eólica todavía enfrenta obstáculos importantes, comenzando con un apoyo político incierto en los Estados Unidos. En Europa, la energía eólica ya es relativamente fácil de vender. Pero en los Estados Unidos, los desarrolladores eólicos dependen de los créditos fiscales federales para obtener ganancias. Estos créditos vitales enfrentan la oposición crónica de los poderosos grupos de presión del petróleo y el carbón y, a menudo, caducan. La industria de la energía eólica se apresuró a enchufar sus turbinas antes de que estos créditos expiraran a fines del año pasado, luego permanecieron inactivos durante los tres meses que le tomó al Congreso de los Estados Unidos renovarlos. El Congreso extendió los créditos hasta fines del próximo año, iniciando lo que probablemente será otro ciclo de desarrollo de inicio y fin.

Un segundo obstáculo para una amplia adopción es el viento mismo. Puede ser gratuito y de fácil acceso, pero también es frustrantemente inconsistente. Pregúntale a cualquier marinero. Y esta inconstancia se traduce en una producción de energía intermitente. Cuantas más turbinas se construyan, más complicará su intermitencia la planificación y gestión de grandes flujos de energía a través de las redes eléctricas regionales y nacionales. De hecho, en el oeste de Texas, un auge reciente en la construcción de turbinas eólicas está sobrecargando las líneas de transmisión de la región y también está produciendo energía fuera de sincronía con las necesidades locales: el viento sopla durante las noches frescas y se detiene en los días calurosos cuando la gente más necesita electricidad.

Las empresas de servicios públicos de Texas están solucionando el problema ampliando las líneas de transmisión. Pero para capturar realmente el valor de la energía eólica a gran escala, se necesitan nuevos enfoques para almacenar la energía eólica cuando se produce y liberarla cuando es necesario. El Instituto de Investigación de Energía Eléctrica, un consorcio de I + D financiado por servicios públicos en Palo Alto, CA, está investigando cómo hacer mejores predicciones de viento con un día de anticipación. Más importante aún, está explorando formas de almacenar energía cuando sopla el viento. Tenemos que pensar en operar un sistema eléctrico en lugar de solo centrarnos en las turbinas eólicas, dice Chuck McGowin, gerente de tecnología de energía eólica en el instituto. Las instalaciones de almacenamiento nos permitirían usar lo que tenemos de manera más eficiente, mejorar su valor.

En el noroeste de los Estados Unidos, una opción de almacenamiento que está desarrollando Bonneville Power Administration, con sede en Portland, Oregón, equilibra la energía eólica con la hidroeléctrica. La idea es simple: cuando sopla el viento, no dejes que el agua pase por las turbinas hidroeléctricas; en días tranquilos, abre las puertas. Y la Autoridad del Valle de Tennessee incluso está experimentando con el almacenamiento de energía en pilas de combustible gigantes; se está construyendo una planta piloto en Mississippi.

La energía eólica enfrenta muchos obstáculos, pero hay más razones que nunca para creer que estos obstáculos se superarán. Las preocupaciones sobre los efectos ambientales de la quema de combustibles fósiles y las preocupaciones políticas sobre una dependencia excesiva del petróleo están impulsando un auge en la construcción de turbinas eólicas. Pero son los avances en la tecnología en sí, creados por continuos y fuertes esfuerzos de investigación, los que podrían proporcionar el ímpetu más crítico para un mayor uso de la energía eólica.

En Rocky Flats, cuatro filas de turbinas de investigación (un total de una docena de máquinas que van desde cargadores de batería de 400 vatios hasta máquinas de 600 kilovatios listas para la red) comparten una llanura de 115 hectáreas sembrada de rocas. Con las Montañas Rocosas como telón de fondo, sus espadas golpean contra la brisa que sopla desde el Cañón El Dorado hacia el oeste. Al menos, lo hacen la mayor parte del tiempo. Tenemos muchos días tranquilos, en verano en particular, y para un sitio de pruebas es bueno tener una mezcla, dice Thresher.

Los días tranquilos pueden ser buenos para la investigación de turbinas eólicas, pero siguen siendo una de las mayores preocupaciones que acechan a la comercialización de turbinas eólicas. Si bien ninguna tecnología puede hacer que el viento sople, las tecnologías confiables y de menor costo parecen estar listas para asumir su inconstancia. Y eso podría significar que pronto brotará una turbina eólica sobre una colina ventosa cerca de usted.

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