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turbina eólica

El parque eólico de Thorntonbank , que utiliza turbinas REpower 5M de 5 MW en el Mar del Norte, frente a la costa de Bélgica. Una turbina eólica es un dispositivo que conviert...

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El parque eólico de Thorntonbank , que utiliza turbinas REpower 5M de 5  MW en el Mar del Norte, frente a la costa de Bélgica.

Una turbina eólica es un dispositivo que convierte la energía cinética del viento en energía eléctrica . A partir de 2024Cientos de miles de grandes turbinas , en instalaciones conocidas como parques eólicos , generaban más de 1136 gigavatios de energía, con 117 GW añadidos cada año. [ 1 ] Las turbinas eólicas son una fuente cada vez más importante de energía renovable intermitente y se utilizan en muchos países para reducir los costos de la energía y la dependencia de los combustibles fósiles . Un estudio afirmó que, a partir de 2009,La energía eólica tuvo las "menores emisiones relativas de gases de efecto invernadero, las menores demandas de consumo de agua y los impactos sociales más favorables" en comparación con las fuentes de energía fotovoltaica , hidroeléctrica , geotérmica , de carbón y de gas . [ 2 ]

Las turbinas eólicas se fabrican en una amplia gama de tamaños, con ejes horizontales o verticales, aunque el horizontal es el más común. [ 3 ] Las turbinas de eje horizontal para la producción comercial de energía suelen tener tres palas, a barlovento de sus torres. Las turbinas de eje vertical pueden tener diversos diseños, incluyendo la Darrieus "huevo" , la giromill con palas rectas, la Savonius con palas adecuadas para azoteas y barcos, aerotransportadas con alas amarradas al suelo, flotantes (montadas en una plataforma flotante) y varios tipos no convencionales , como las de palas contrarrotatorias.

Las palas suelen estar hechas de compuestos de fibra de vidrio, pero también se utiliza fibra de carbono, que es más rígida, resistente y menos densa. Las turbinas eólicas más pequeñas se utilizan para aplicaciones como la carga de baterías y dispositivos remotos, como señales de advertencia de tráfico. Las turbinas más grandes pueden contribuir al suministro eléctrico doméstico y vender la energía sobrante a la compañía eléctrica a través de la red . [ 4 ]

Las turbinas eólicas producen una de las energías renovables más económicas y son limpias, ya que no emiten gases de efecto invernadero. Tienen un impacto ambiental significativo , por ejemplo, en la fauna silvestre, pero este impacto puede mitigarse. La energía producida varía con el viento, no con la demanda, por lo que es una fuente de energía poco fiable a menos que se disponga de sistemas de almacenamiento de energía.

Historia

La rueda de viento de Herón de Alejandría (10-70  d. C.) constituye uno de los primeros ejemplos documentados de una máquina impulsada por el viento. [ 5 ] Sin embargo, las primeras centrales eólicas prácticas conocidas se construyeron en Sistán , una provincia oriental de Persia (actual Irán), a partir del siglo VII. Estos molinos de viento panemone eran molinos de eje vertical, que tenían largos ejes de transmisión verticales con aspas rectangulares. [ 6 ] Fabricadas con entre seis y doce aspas cubiertas con esteras de junco o tela, estas turbinas eólicas se utilizaban para moler grano o extraer agua, y se empleaban en las industrias de molienda de grano y caña de azúcar. [ 7 ]

La energía eólica apareció por primera vez en Europa durante la Edad Media . Los primeros registros históricos de su uso en Inglaterra datan de los siglos XI y XII; existen informes de cruzados alemanes que llevaron sus habilidades de construcción de molinos de viento a Siria alrededor de 1190. [ 8 ] En el siglo XV, las bombas de viento holandesas se utilizaban para drenar terrenos bajos. [ 9 ] Las turbinas eólicas de eje vertical fueron descritas por el inventor croata Fausto Veranzio en su libro Machinae Novae (1595). [ 10 ]

La primera turbina eólica generadora de electricidad fue instalada por el austriaco Josef Friedländer en la Exposición Internacional de Electricidad de Viena en 1883. Se trataba de una turbina eólica Halladay para accionar una dinamo . El "motor eólico" Halladay de Friedländer, de 6,6 m (22 pies) de diámetro, fue suministrado por US Wind Engine & Pump Co. de Batavia , Illinois . La turbina eólica de 3,7 kW (5 hp) accionaba una dinamo a nivel del suelo que alimentaba con electricidad una serie de baterías . Las baterías alimentaban diversas herramientas eléctricas y lámparas, así como una trilladora. La turbina eólica de Friedländer y sus accesorios se instalaron en un lugar destacado de la entrada norte del pabellón principal de la exposición (" Rotunde ") en el Prater de Viena . [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]    

En julio de 1887, el académico escocés James Blyth instaló una máquina de carga de baterías para iluminar su casa de vacaciones en Marykirk , Escocia. [ 14 ] Algunos meses después, el inventor estadounidense Charles F. Brush logró construir la primera turbina eólica de funcionamiento automático tras consultar con profesores universitarios locales y sus colegas Jacob S. Gibbs y Brinsley Coleberd, y conseguir que los planos fueran revisados ​​por pares para la producción de electricidad. [ 15 ] Aunque la turbina de Blyth se consideró antieconómica en el Reino Unido, [ 15 ] la generación de electricidad mediante turbinas eólicas resultó más rentable en países con poblaciones dispersas. [ 8 ]

En Dinamarca , hacia 1900, existían alrededor de 2500 aerogeneradores y molinos de viento, que producían una potencia mecánica máxima combinada estimada de unos 30 megavatios (MW). Las máquinas más grandes se ubicaban en torres de 24 metros (79 pies) con rotores de cuatro palas y 23 metros (75 pies) de diámetro. Para 1908, había 72 generadores eléctricos eólicos en funcionamiento en Estados Unidos, con potencias que oscilaban entre 5 kilovatios (kW) y 25 kW. En torno a la Primera Guerra Mundial, los fabricantes estadounidenses de turbinas eólicas producían 100 000 al año, principalmente para el bombeo de agua. [ 16 ]   

En la década de 1930, el uso de turbinas eólicas en las zonas rurales estaba disminuyendo a medida que el sistema de distribución se extendía a esas zonas. [ 17 ]

Un precursor de los modernos aerogeneradores de eje horizontal estuvo en funcionamiento en Yalta , URSS, en 1931. Se trataba de un generador de 100 kW montado en una torre de 30 metros (98 pies) . Se informó que tenía un factor de capacidad anual del 32 por ciento, no muy diferente al de las máquinas eólicas actuales. [ 18 ] 

En otoño de 1941, la primera turbina eólica de clase megavatio se sincronizó con la red eléctrica de Vermont . La turbina eólica Smith-Putnam solo funcionó durante unos cinco años antes de que se rompiera una de sus palas. [ 19 ] La unidad no fue reparada debido a la escasez de materiales durante la guerra. [ 20 ]

La primera turbina eólica conectada a la red eléctrica que funcionó en el Reino Unido fue construida por John Brown & Company en 1951 en las Islas Orcadas . [ 15 ] [ 21 ]

Sin embargo, a principios de la década de 1970, las protestas antinucleares en Dinamarca impulsaron a los mecánicos artesanales a desarrollar microturbinas de 22 kW a pesar del declive de la industria. [ 22 ] La organización de los propietarios en asociaciones y cooperativas condujo a la presión ejercida sobre el gobierno y las empresas de servicios públicos y proporcionó incentivos para turbinas más grandes durante la década de 1980 y posteriormente. Activistas locales en Alemania, fabricantes de turbinas incipientes en España y grandes inversores en Estados Unidos a principios de la década de 1990 presionaron para que se implementaran políticas que estimularan la industria en esos países. [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]

Se ha argumentado que la expansión del uso de la energía eólica conllevará una creciente competencia geopolítica por materiales críticos para las turbinas eólicas, como los elementos de tierras raras neodimio , praseodimio y disprosio . Sin embargo, esta perspectiva ha sido rechazada por considerar que la mayoría de las turbinas eólicas no utilizan imanes permanentes y por subestimar el poder de los incentivos económicos para la mayor producción de estos minerales. [ 26 ]

Densidad de potencia eólica

La densidad de potencia eólica (DPE) es una medida cuantitativa de la energía eólica disponible en cualquier lugar. Representa la potencia media disponible por área barrida por una turbina y se calcula para diferentes alturas sobre el suelo. El cálculo de la densidad de potencia eólica incluye el efecto de la velocidad del viento y la densidad del aire. [ 28 ]

Las turbinas eólicas se clasifican según la velocidad del viento para la que están diseñadas, desde la clase I hasta la clase III, donde A a C se refieren a la intensidad de la turbulencia del viento. [ 29 ]

Eficiencia

El físico alemán Albert Betz contribuyó al desarrollo de la tecnología de las turbinas eólicas. La ley de Betz establece que ninguna turbina eólica puede capturar más del 59,3 % de la energía cinética del viento.

La conservación de la masa exige que la masa de aire que entra y sale de una turbina sea igual. Del mismo modo, la conservación de la energía exige que la energía suministrada a la turbina por el viento entrante sea igual a la suma de la energía del viento saliente y la energía convertida en energía eléctrica. Dado que el viento saliente aún posee cierta energía cinética, debe existir una proporción máxima de la energía de entrada disponible para ser convertida en energía eléctrica. [ 30 ] En consecuencia, la ley de Betz establece que la extracción máxima de energía eólica que puede lograr una turbina eólica, conocida como coeficiente de Betz, es 16 / 27 (59,3 %) de la tasa a la que la energía cinética del aire llega a la turbina. [ 31 ] [ 32 ]

La potencia teórica máxima de un aerogenerador es, por lo tanto, 16/27 veces la velocidad a la que la energía cinética del aire llega al área efectiva del disco del aparato. Si el área efectiva del disco es A y la velocidad del viento es v, la potencia teórica máxima P es:

PAG=162712ρv3A=827ρv3A{\displaystyle P={\frac {16}{27}}{\frac {1}{2}}\rho v^{3}A={\frac {8}{27}}\rho v^{3}A},

donde ρ es la densidad del aire .

La eficiencia del viento al rotor (incluida la fricción y la resistencia de las palas del rotor ) se encuentra entre los factores que afectan el precio final de la energía eólica. [ 33 ] Otras ineficiencias, como las pérdidas en la caja de engranajes , el generador y el convertidor, reducen la potencia entregada por una turbina eólica. Para proteger los componentes del desgaste excesivo, la potencia extraída se mantiene constante por encima de la velocidad de operación nominal, ya que la potencia teórica aumenta con el cubo de la velocidad del viento, lo que reduce aún más la eficiencia teórica. En 2001, las turbinas comerciales conectadas a la red eléctrica entregaron entre el 75 % y el 80 % del límite de Betz de potencia extraíble del viento, a la velocidad de operación nominal. [ 34 ] [ 35 ]

La eficiencia puede disminuir ligeramente con el tiempo, siendo una de las principales razones el polvo y los restos de insectos en las palas, que alteran el perfil aerodinámico y reducen esencialmente la relación sustentación-resistencia del perfil alar . El análisis de 3128 turbinas eólicas con más de 10 años de antigüedad en Dinamarca mostró que la mitad de las turbinas no experimentaron disminución, mientras que la otra mitad registró una disminución de la producción del 1,2 % anual. [ 36 ]

En general, las condiciones meteorológicas más estables y constantes (sobre todo la velocidad del viento) dan como resultado una eficiencia un 15 % mayor en promedio que la de una turbina eólica en condiciones meteorológicas inestables, lo que permite un aumento de hasta un 7 % en la velocidad del viento en condiciones estables. Esto se debe a una estela de recuperación más rápida y a una mayor incorporación de flujo que se producen en condiciones de mayor estabilidad atmosférica. Sin embargo, se ha observado que las estelas de las turbinas eólicas se recuperan más rápidamente en condiciones atmosféricas inestables que en un entorno estable. [ 37 ]

Los distintos materiales tienen efectos variables en la eficiencia de las turbinas eólicas. En un experimento realizado en la Universidad de Ege, se construyeron tres turbinas eólicas, cada una con tres palas de un metro de diámetro, con palas fabricadas con diferentes materiales: vidrio, epoxi de vidrio/carbono , vidrio/carbono y vidrio/poliéster. Los resultados de las pruebas mostraron que los materiales con mayor masa total presentaban un mayor momento de fricción y, por lo tanto, un menor coeficiente de potencia. [ 38 ]

La velocidad del aire es el factor principal que influye en la eficiencia de la turbina. Por ello, es fundamental elegir la ubicación adecuada. La velocidad del viento será alta cerca de la costa debido a la diferencia de temperatura entre la tierra y el océano. Otra opción es instalar las turbinas en las crestas de las montañas. Cuanto más alta sea la turbina eólica, mayor será la velocidad media del viento. Un cortavientos también puede aumentar la velocidad del viento cerca de la turbina. [ 39 ]

Tipos

Los tres tipos principales: VAWT Savonius , HAWT de torre; VAWT Darrieus tal como se ven en funcionamiento.

Las turbinas eólicas pueden girar sobre un eje horizontal o vertical; el primero es más antiguo y común. [ 40 ] También pueden incluir aspas o ser sin aspas. [ 41 ] Los diseños verticales de tamaño doméstico producen menos energía y son menos comunes. [ 42 ]

Eje horizontal

Las grandes turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT) de tres palas, con las palas orientadas a barlovento de la torre ( es decir  , las palas orientadas hacia el viento entrante), producen la inmensa mayoría de la energía eólica en el mundo actual. [ 3 ] Estas turbinas tienen el eje del rotor principal y el generador eléctrico en la parte superior de una torre y deben orientarse hacia el viento. Las turbinas pequeñas se orientan mediante una veleta simple , mientras que las grandes turbinas generalmente utilizan un sensor de viento acoplado a un sistema de guiñada. La mayoría tiene una caja de engranajes, que convierte la lenta rotación de las palas en una rotación más rápida que es más adecuada para accionar un generador eléctrico. [ 43 ] Algunas turbinas utilizan un tipo diferente de generador adecuado para una entrada de velocidad de rotación más lenta. Estos no necesitan una caja de engranajes y se denominan de accionamiento directo, lo que significa que acoplan el rotor directamente al generador sin una caja de engranajes intermedia. Si bien los generadores de accionamiento directo de imanes permanentes pueden ser más costosos debido a los materiales de tierras raras necesarios, estas turbinas sin engranajes a veces se prefieren a los generadores con caja de engranajes porque "eliminan el multiplicador de velocidad de engranajes, que es susceptible a una carga de torsión de fatiga acumulada significativa, problemas de confiabilidad relacionados y costos de mantenimiento". [ 44 ] También existe el mecanismo de accionamiento pseudo directo, que tiene algunas ventajas sobre el mecanismo de accionamiento directo de imanes permanentes. [ 45 ]

La mayoría de las turbinas de eje horizontal tienen sus rotores a barlovento de la torre de soporte. [ 46 ] Se han construido máquinas a sotavento, porque no necesitan un mecanismo adicional para mantenerlas alineadas con el viento. En vientos fuertes, las palas a sotavento también pueden diseñarse para que se doblen más que las de barlovento, lo que reduce su área barrida y, por lo tanto, su resistencia al viento, mitigando el riesgo durante vendavales. A pesar de estas ventajas, se prefieren los diseños a barlovento, porque el cambio pulsante en la carga del viento a medida que cada pala pasa detrás de la torre de soporte puede causar daños a la turbina. [ 47 ]

Las turbinas utilizadas en parques eólicos para la producción comercial de energía eléctrica suelen ser de tres palas. Estas presentan una baja ondulación de par , lo que contribuye a una buena fiabilidad. Las palas suelen ser blancas para facilitar su visibilidad diurna desde aeronaves y su longitud oscila entre 20 y 80 metros (66 y 262 pies) . El tamaño y la altura de las turbinas aumentan año tras año. Actualmente, se construyen turbinas eólicas marinas de hasta 26 MW y con una longitud de pala de hasta 153 metros (502 pies) , [ 48 ] [ 49 ] mientras que las turbinas terrestres alcanzan hasta 15 MW de capacidad y 131 metros (430 pies) de longitud de pala. [ 48 ] [ 50 ] La altura media del buje de las turbinas eólicas de eje horizontal es de 103 metros (338 pies) para las turbinas terrestres en EE. UU. y de 124 metros (407 pies) para las turbinas marinas a nivel mundial. [ 51 ]     

Eje vertical

Una pequeña turbina eólica de eje vertical Quietrevolution QR5 tipo Gorlov en la cima del Bristol Beacon en Bristol , Inglaterra. Con 3  m de diámetro y 5  m de altura, tiene una potencia nominal de 6,5  kW para la red eléctrica.

Las turbinas eólicas de eje vertical (o VAWT) tienen el eje principal del rotor dispuesto verticalmente. Una ventaja de esta disposición es que la turbina no necesita estar orientada hacia el viento para ser efectiva, [ 52 ] lo cual es beneficioso en un sitio donde la dirección del viento es muy variable. También es una ventaja cuando la turbina está integrada en un edificio, ya que es inherentemente menos orientable. Además, el generador y la caja de engranajes pueden ubicarse cerca del suelo, utilizando una transmisión directa desde el conjunto del rotor a la caja de engranajes en tierra, lo que mejora la accesibilidad para el mantenimiento. Sin embargo, estos diseños producen mucha menos energía promedio a lo largo del tiempo, lo cual es una desventaja importante. [ 42 ] [ 53 ]

Los diseños de turbinas verticales tienen una eficiencia mucho menor que los diseños horizontales estándar. [ 54 ] Las principales desventajas incluyen la velocidad de rotación relativamente baja con el consiguiente par más alto y, por lo tanto, un mayor costo del tren de transmisión, el coeficiente de potencia inherentemente más bajo , la rotación de 360 ​​grados del perfil aerodinámico dentro del flujo de viento durante cada ciclo y, por lo tanto, la carga altamente dinámica en la pala, el par pulsante generado por algunos diseños de rotor en el tren de transmisión y la dificultad de modelar el flujo de viento con precisión y, por lo tanto, los desafíos de analizar y diseñar el rotor antes de fabricar un prototipo. [ 55 ]

Cuando se instala una turbina en una azotea, el edificio generalmente redirige el viento por encima del tejado, lo que puede duplicar la velocidad del viento en la turbina. Si la altura de la torre de la turbina instalada en la azotea es aproximadamente la mitad de la altura del edificio, se encuentra cerca del punto óptimo para obtener la máxima energía eólica y minimizar la turbulencia del viento. Si bien las velocidades del viento en entornos construidos suelen ser mucho menores que en zonas rurales expuestas, el ruido puede ser un problema y la estructura existente debe ser capaz de resistir la tensión adicional. [ 56 ] [ 57 ]

Existen varios subtipos del diseño de eje vertical, incluyendo la turbina eólica Darrieus , también conocida como turbina batidora. Estas reciben su nombre de Georges Jean Marie Darrieus, quien patentó un diseño en la década de 1920. Tienen buena eficiencia, pero producen una gran ondulación de par y tensión cíclica en la torre, lo que contribuye a una baja fiabilidad. La ondulación de par se reduce utilizando tres o más palas, lo que resulta en una mayor solidez del rotor. [ 58 ] El giromolino es un subtipo de turbina Darrieus con palas rectas. La variedad cicloturbina tiene paso variable para reducir la pulsación de par y es autoarrancable. [ 59 ] Las ventajas del paso variable son un alto par de arranque; una curva de par amplia y relativamente plana; un coeficiente de rendimiento más alto ; un funcionamiento más eficiente en vientos turbulentos; y una menor relación de velocidad de las palas, lo que reduce las tensiones de flexión de las mismas. Se pueden utilizar palas rectas, en V o curvas. [ 60 ]

Una turbina de eje vertical tipo Savonius retorcido

The Savonius wind turbine are drag-type devices with two (or more) scoops that are used in anemometers, Flettner vents (commonly seen on bus and van roofs), and in some high-reliability low-efficiency power turbines. They are always self-starting if there are at least three scoops.[52] Twisted Savonius is a modified Savonius with long helical scoops to provide smooth torque. This is often used as a rooftop wind turbine and has even been adapted for ships.[61]Airborne wind turbines consist of wings or a small aircraft tethered to the ground.[62] They are useful for reaching faster winds above which traditional turbines can operate. There are prototypes in operation in east Africa.[63] A floating wind turbine is an offshore turbine supported by a floating platform.[64] By having them float, they can to be installed in deeper water, allowing more of them; by having them further out of sight from land, they may create less public concern about their visual impact.[65]

Unconventional types

Design and construction

Components of a horizontal-axis wind turbine
Inside view of a wind turbine tower, showing the tendon cables

Components

Wind turbines convert wind energy to electrical energy for distribution. Conventional horizontal-axis turbines can be divided into three components:

  • The rotor, which is approximately 20% of the wind turbine cost, includes the blades for converting wind energy to low-speed rotational energy.[66]
  • The generator, which is approximately 34% of the wind turbine cost, includes the electrical generator,[67][68] the control electronics, and most likely a gearbox (e.g., planetary gear box),[69]adjustable-speed drive, or continuously variable transmission to convert the low-speed incoming rotation to high-speed rotation suitable for generating electricity.[70]
  • The surrounding structure, which is approximately 15% of the wind turbine cost, includes the tower and rotor yaw mechanism.[66]
Nacelle of a wind turbine

Una turbina eólica de 1,5 MW , del tipo que se ve con frecuencia en Estados Unidos, tiene una torre de 80 metros (260 pies) de altura. El conjunto del rotor (palas y buje) mide aproximadamente 80 metros (260 pies) de diámetro. [ 71 ] La góndola , que contiene el generador, mide 15,24 metros (50,0 pies) y pesa alrededor de 300 toneladas. [ 72 ]   

Monitorización y diagnóstico de turbinas

Debido a problemas de transmisión de datos, el monitoreo de la salud estructural de las turbinas eólicas generalmente se realiza utilizando varios acelerómetros y extensómetros fijados a la góndola para monitorear la caja de engranajes y el equipo. Actualmente, la correlación de imágenes digitales y la estereofotogrametría se utilizan para medir la dinámica de las palas de las turbinas eólicas. Estos métodos generalmente miden el desplazamiento y la deformación para identificar la ubicación de los defectos. Las características dinámicas de las turbinas eólicas no giratorias se han medido utilizando correlación de imágenes digitales y fotogrametría. [ 73 ] El seguimiento de puntos tridimensionales también se ha utilizado para medir la dinámica de rotación de las turbinas eólicas. [ 74 ]

Tecnología

Evolución del tamaño y la potencia de las turbinas eólicas, 1990-2016

En general, la eficiencia aumenta con la longitud de las palas de la turbina. Las palas deben ser rígidas, resistentes, duraderas, ligeras y resistentes a la fatiga. [ 75 ] Entre los materiales con estas propiedades se incluyen compuestos como el poliéster y el epoxi, mientras que la fibra de vidrio y la fibra de carbono se han utilizado para el refuerzo. [ 76 ] La construcción puede implicar laminado manual o moldeo por inyección. La modernización de turbinas existentes con palas más grandes reduce la tarea y los riesgos del rediseño. [ 77 ]

Si bien las turbinas tienen una vida útil promedio de 30 años, las palas y las cajas de engranajes suelen durar hasta 25 años. [ 78 ]

Materiales de la hoja

A continuación se describen los materiales que se utilizan habitualmente en las palas de las turbinas eólicas.

Fibras de vidrio y carbono

Un convoy de palas de turbina pasa por Edenfield , Inglaterra.

La rigidez de los materiales compuestos está determinada por la rigidez de las fibras y su contenido volumétrico. Generalmente, las fibras de vidrio E se utilizan como refuerzo principal en los materiales compuestos. Normalmente, los materiales compuestos de vidrio/epoxi para palas de turbinas eólicas contienen hasta un 75 % de vidrio en peso. Esto aumenta la rigidez y la resistencia a la tracción y a la compresión. Un material compuesto prometedor es la fibra de vidrio con composiciones modificadas como el vidrio S, el vidrio R, etc. Otras fibras de vidrio desarrolladas por Owens Corning son ECRGLAS, Advantex y WindStrand. [ 79 ]

La fibra de carbono tiene mayor resistencia a la tracción, mayor rigidez y menor densidad que la fibra de vidrio. Un candidato ideal para estas propiedades es el larguero, un elemento estructural de una pala que experimenta una alta carga de tracción. [ 76 ] Una pala de fibra de vidrio de 100 metros (330 pies) podría pesar hasta 50 toneladas (110 000 lb) , mientras que el uso de fibra de carbono en el larguero ahorra entre un 20 % y un 30 % de peso, aproximadamente 15 toneladas (33 000 lb) . [ 80 ]   

Refuerzos híbridos

En lugar de fabricar los refuerzos de las palas de las turbinas eólicas con vidrio puro o carbono puro, los diseños híbridos priorizan el costo sobre el peso. Por ejemplo, para una pala de 8 metros (26 pies) , una sustitución completa por fibra de carbono ahorraría un 80 % de peso, pero aumentaría los costos en un 150 %, mientras que una sustitución del 30 % ahorraría un 50 % de peso y aumentaría los costos en un 90 %. Los materiales de refuerzo híbridos incluyen fibra de vidrio E/carbono y fibra de vidrio E/aramida. La pala más larga actual de LM Wind Power está hecha de compuestos híbridos de carbono/vidrio. Se necesita más investigación sobre la composición óptima de los materiales. [ 81 ] 

Polímeros y compuestos nanoestructurados

La adición de pequeñas cantidades (0,5  % en peso) de nanorefuerzo ( nanotubos de carbono o nanoarcilla) en la matriz polimérica de los compuestos, el recubrimiento de fibras o las capas interlaminarias puede mejorar la resistencia a la fatiga, la resistencia al corte o a la compresión y la tenacidad a la fractura de los compuestos entre un 30 % y un 80 %. Las investigaciones también han demostrado que la incorporación de pequeñas cantidades de nanotubos de carbono (CNT) puede aumentar la vida útil hasta un 1500 %. [ 82 ]

Costos

El costo de capital promedio ponderado global de una turbina eólica fue de aproximadamente $2,324 por kilovatio en 2010. A partir de 2024, esta cifra había caído a $1,041 por kilovatio de capacidad nominal , lo que refleja una disminución constante año tras año de alrededor del 12%. [ 83 ] Las turbinas eólicas domésticas son significativamente más baratas, con costos de tan solo $700 para una pequeña turbina de 400 W (sin incluir los costos de instalación) en los EE. UU. [ 84 ]

El costo nivelado de la energía (LCOE) de las turbinas eólicas, o el precio mínimo promedio por unidad de energía que una central eléctrica debe recibir para alcanzar el punto de equilibrio durante su vida útil, a partir de 2025 osciló entre $25 por MWh en China y $70 por MWh en Vietnam , y promedió a nivel mundial alrededor de $50–60 por MWh. [ 85 ] La región MENA registró el LCOE promedio más bajo, con el proyecto del parque eólico Al Ghat de 2024 en Arabia Saudita estableciendo un récord mundial de solo $15,66 por MWh. [ 86 ]

En el caso de las palas de las turbinas eólicas, si bien el costo del material es mucho mayor para las palas híbridas de fibra de vidrio/carbono que para las de fibra de vidrio pura, los costos de mano de obra pueden ser menores. El uso de fibra de carbono permite diseños más sencillos que utilizan menos materia prima. El principal proceso de fabricación de las palas es la superposición de capas. Las palas más delgadas permiten reducir el número de capas y, por lo tanto, la mano de obra, llegando incluso, en algunos casos, a igualar el costo de la mano de obra para las palas de fibra de vidrio. [ 87 ]

La instalación en alta mar tiene costos de instalación significativamente más altos. [ 88 ] El costo total promedio ponderado global de instalación de turbinas marinas fue de $2,852 por kW en 2024, lo que representa una disminución del 48% con respecto a los costos de 2010 de $5,518 por kW. [ 83 ]

Materiales que no son cuchillas

Las piezas de las turbinas eólicas, a excepción de las palas del rotor (incluidos el buje, la caja de engranajes, el bastidor y la torre), están fabricadas principalmente de acero. Las turbinas más pequeñas (así como las turbinas Enercon de megavatios) han comenzado a utilizar aleaciones de aluminio para estos componentes, con el fin de aligerarlas y aumentar su eficiencia. Esta tendencia podría intensificarse si se logran mejorar las propiedades de resistencia y fatiga. El hormigón pretensado se utiliza cada vez más para la construcción de la torre, pero aún requiere una gran cantidad de acero de refuerzo para cumplir con los requisitos de resistencia de la turbina. Además, las cajas de engranajes elevadoras se están reemplazando progresivamente por generadores de velocidad variable, que requieren materiales magnéticos. [ 75 ]

Las turbinas modernas utilizan unas dos toneladas de cobre para el cableado , los generadores, los transformadores y los sistemas de puesta a tierra [ 89 ] debido a su excepcional conductividad eléctrica y durabilidad. [ 90 ] A partir de 2018La producción mundial de turbinas eólicas utiliza 450 000 toneladas (990 millones de libras) de cobre al año. [ 91 ] A partir de 2025, la intensidad de cobre oscila entre 650 y 6200 kg por MW de capacidad. [ 90 ]  

Suministro de materiales

Planta de fabricación de turbinas eólicas Nordex en Jonesboro , Arkansas, Estados Unidos.

Un estudio de 2015 sobre las tendencias de consumo de materiales y los requisitos para la energía eólica en Europa reveló que las turbinas más grandes tienen un mayor consumo de metales preciosos, pero un menor aporte de materiales por kW generado. El consumo y el stock de materiales en ese momento se compararon con los materiales de entrada para diversos tamaños de sistemas terrestres. En todos los países de la UE, las estimaciones para 2020 duplicaron los valores consumidos en 2009. Estos países necesitarían ampliar sus recursos para satisfacer la demanda estimada para 2020. Por ejemplo, la UE tenía el 3% del suministro mundial de fluorita y necesitaría el 14% para 2020. A nivel mundial, los principales países exportadores son Sudáfrica, México y China. Esto es similar a otros materiales críticos y valiosos necesarios para los sistemas energéticos, como el magnesio, la plata y el indio. Si bien los niveles de reciclaje de estos materiales son muy bajos, centrarse en su circularidad podría aliviar la oferta. Dado que la mayoría de estos valiosos materiales también se utilizan en otras tecnologías emergentes, como diodos emisores de luz (LED), células fotovoltaicas (PV) y pantallas de cristal líquido (LCD), se espera que su demanda aumente. [ 92 ]

Un estudio de 2011 del Servicio Geológico de los Estados Unidos estimó los recursos necesarios para cumplir el compromiso de EE. UU. de suministrar el 20 % de su electricidad a partir de energía eólica para 2030. No consideró los requisitos para turbinas pequeñas o turbinas marinas porque no eran comunes en 2008, cuando se realizó el estudio. Los materiales comunes como el hierro fundido, el acero y el hormigón aumentarían entre un 2 % y un 3 % en comparación con 2008. Se requerirían entre 110 000 y 115 000 toneladas métricas de fibra de vidrio por año, un aumento del 14 %. El uso de metales de tierras raras no aumentaría mucho en comparación con el suministro disponible; sin embargo, es necesario tener en cuenta los metales de tierras raras que también se utilizan en otras tecnologías, como las baterías, cuya demanda global está aumentando. Se requerirían 50 000 kilómetros cuadrados de tierra firme y 11 000 en alta mar. Esto no sería un problema en EE. UU. debido a su vasta extensión territorial y porque la misma tierra se puede utilizar para la agricultura. Un desafío mayor sería la variabilidad y la transmisión a áreas de alta demanda. [ 93 ]

Los imanes permanentes para generadores de turbinas eólicas contienen metales de tierras raras como el neodimio (Nd), el praseodimio (Pr), el terbio (Tb) y el disprosio (Dy). Los sistemas que utilizan turbinas de accionamiento directo magnético requieren mayores cantidades de metales de tierras raras. Por lo tanto, un aumento en la fabricación de turbinas eólicas incrementaría la demanda de estos recursos. Se estima que para 2035 la demanda de Nd aumentará entre 4000 y 18 000 toneladas, y la de Dy entre 200 y 1200 toneladas. Estos valores representan entre un cuarto y la mitad de la producción actual. Sin embargo, estas estimaciones son muy inciertas debido al rápido desarrollo de las tecnologías. [ 94 ]

La dependencia de los minerales de tierras raras para componentes ha conllevado riesgos de sobrecostos y volatilidad de precios, ya que China ha sido el principal productor de estos minerales (96 % en 2009) y estaba reduciendo sus cuotas de exportación. [ 93 ] Sin embargo, en los últimos años, otros productores han aumentado la producción y China ha incrementado sus cuotas de exportación, lo que ha dado lugar a una mayor oferta, menores costos y una mayor viabilidad del uso a gran escala de generadores de velocidad variable. [ 95 ]

La fibra de vidrio es el material más común para el refuerzo. Su demanda ha crecido debido al auge de la construcción, el transporte y las turbinas eólicas. Su mercado global podría alcanzar los 17.400 millones de dólares estadounidenses en 2024, en comparación con los 8.500 millones de dólares estadounidenses en 2014. En 2014, la región de Asia-Pacífico representaba más del 45% del mercado; actualmente, China es el mayor productor. La industria recibe subsidios del gobierno chino, lo que le permite exportar a menor costo a Estados Unidos y Europa. Sin embargo, las guerras de precios han dado lugar a medidas antidumping, como aranceles sobre la fibra de vidrio china. [ 96 ]

Aerogeneradores expuestos al público

La turbina eólica Nordex N50 y el centro de visitantes de Lamma Winds en Hong Kong , China.
Aerogeneradores en el World Trade Center de Baréin

Algunas localidades han aprovechado el atractivo de las turbinas eólicas para exhibirlas al público, ya sea con centros de visitantes alrededor de sus bases o con áreas de observación más alejadas. [ 97 ] Las turbinas eólicas suelen ser de diseño convencional de eje horizontal y tres palas, y generan energía para alimentar las redes eléctricas, pero también cumplen funciones no convencionales como la demostración de tecnología, las relaciones públicas y la educación. [ 98 ] El Centro de Comercio Mundial de Baréin exhibe turbinas eólicas de forma destacada para el público. Es el primer rascacielos en integrar turbinas eólicas en su diseño. [ 99 ]

pequeñas turbinas eólicas

Small wind turbines may be used for a variety of applications including on- or off-grid residences, telecom towers, offshore platforms, rural schools and clinics, remote monitoring and other purposes that require energy where there is no electric grid, or where the grid is unstable. Small wind turbines may be as small as a fifty-watt generator for boat or caravan use. Hybrid solar- and wind-powered units are increasingly being used for traffic signage, particularly in rural locations, since they avoid the need to lay long cables from the nearest mains connection point.[100] The U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) defines small wind turbines as those smaller than or equal to 100 kilowatts.[101] Small units often have direct-drive generators, direct current output, aeroelastic blades, and lifetime bearings and use a vane to point into the wind.[102]

Wind turbine spacing

On most horizontal wind turbine farms, a spacing of about 6–10 times the rotor diameter is often upheld. However, for large wind farms, distances of about 15 rotor diameters should be more economical, taking into account typical wind turbine and land costs. This conclusion has been reached by research conducted by Charles Meneveau of Johns Hopkins University[103] and Johan Meyers of Leuven University in Belgium, based on computer simulations[104] that take into account the detailed interactions among wind turbines (wakes) as well as with the entire turbulent atmospheric boundary layer.[105]

Research by John Dabiri of Caltech suggests that vertical wind turbines may be placed much more closely together so long as an alternating pattern of rotation is created allowing blades of neighbouring turbines to move in the same direction as they approach one another.[106]

Operability

Workers inspect wind turbine blades.

Maintenance

Las turbinas eólicas necesitan mantenimiento regular para mantenerse fiables y disponibles . En el mejor de los casos, las turbinas están disponibles para generar energía el 98% del tiempo. [ 107 ] [ 108 ] Se ha descubierto que la acumulación de hielo en las palas de las turbinas reduce considerablemente la eficiencia de las turbinas eólicas, lo que es un problema común en climas fríos donde se producen eventos de hielo en las nubes y lluvia helada . [ 109 ] El deshielo se realiza principalmente mediante calentamiento interno [ 110 ] o, en algunos casos, mediante helicópteros o drones que rocían agua caliente limpia sobre las palas. [ 111 ] [ 112 ]

Las turbinas modernas suelen tener una pequeña grúa a bordo para izar herramientas de mantenimiento y componentes menores. Sin embargo, los componentes grandes y pesados, como generadores, cajas de engranajes, álabes, etc., rara vez se reemplazan, y en esos casos se necesita una grúa externa de gran capacidad . Si la turbina tiene un acceso difícil, se puede izar una grúa en contenedor con la ayuda de la grúa interna para realizar cargas más pesadas. [ 113 ]

Repotenciación

La instalación de nuevas turbinas eólicas puede ser controvertida. Una alternativa es la repotenciación, que consiste en sustituir las turbinas eólicas existentes por otras más grandes y potentes, a veces en menor cantidad, manteniendo o aumentando la capacidad. [ 114 ]

Demolición y reciclaje

Algunas turbinas eólicas que están fuera de servicio se reciclan o se les da nueva potencia. [ 115 ] [ 116 ] El 85 % de los materiales de las turbinas se pueden reutilizar o reciclar fácilmente, pero las palas, hechas de un material compuesto, son más difíciles de procesar. [ 117 ]

El interés por reciclar las palas varía en los distintos mercados y depende de la legislación sobre residuos y de la economía local. Un desafío en el reciclaje de palas está relacionado con el material compuesto, que está hecho de fibra de vidrio con fibras de carbono en resina epoxi, que no se puede remoldear para formar nuevos compuestos. [ 118 ]

Los residuos de los parques eólicos son menos tóxicos que otros tipos de basura. Las palas de las turbinas eólicas representan solo una fracción del total de residuos en Estados Unidos, según la Asociación Estadounidense de Energía Eólica ( American Wind Energy Association ). [ 119 ]

Varias empresas de servicios públicos, empresas emergentes e investigadores están desarrollando métodos para reutilizar o reciclar palas. [ 117 ] El fabricante Vestas ha desarrollado una tecnología que puede separar las fibras de la resina, permitiendo su reutilización. [ 120 ] En Alemania, las palas de las turbinas eólicas se reciclan comercialmente como parte de una mezcla de combustible alternativo para una fábrica de cemento. [ 117 ] En el Reino Unido, un proyecto probará el corte de las palas en tiras para su uso como barras de refuerzo en el hormigón , con el objetivo de reducir las emisiones en la construcción de High Speed ​​2. [ 121 ] Las palas usadas de las turbinas eólicas se han reciclado incorporándolas como parte de las estructuras de soporte dentro de puentes peatonales en Polonia [ 122 ] e Irlanda. [ 123 ] En 2026, el fabricante chino Ming Yang desarrolló la primera turbina eólica totalmente reciclable, que utiliza paneles de fibra de carbono pultruidos en lugar de fibra de vidrio, lo que permite a los recicladores separar los componentes a través de un proceso químico. [ 124 ]

Comparación con otras fuentes de energía

Ventajas

Las turbinas eólicas son una de las fuentes de energía renovable de menor costo, junto con los paneles solares . [ 125 ] A medida que la tecnología necesaria para las turbinas eólicas continuó mejorando, los precios también disminuyeron. Además, actualmente no existe un mercado competitivo para la energía eólica (aunque podría existir en el futuro), porque el viento es un recurso natural disponible gratuitamente, la mayor parte del cual está sin explotar. [ 126 ] El principal costo de las turbinas eólicas pequeñas es el proceso de compra e instalación, que promedia entre $48,000 y $65,000 por instalación. Por lo general, la cantidad total de energía recolectada supera el costo de las turbinas. [ 127 ]

Las turbinas eólicas proporcionan una fuente de energía limpia, [ 128 ] utilizan poca agua, [ 2 ] no emiten gases de efecto invernadero ni generan residuos durante su funcionamiento. Se pueden eliminar más de 1400 toneladas (1500 toneladas cortas) de dióxido de carbono al año utilizando una turbina de un megavatio en lugar de un megavatio de energía procedente de un combustible fósil. [ 129 ]

Desventajas

En Estados Unidos, los gatos matan aproximadamente 10.000 veces más aves que las turbinas eólicas . [ 130 ]

Environmental impact of wind power includes effect on wildlife, but can be mitigated if proper strategies are implemented.[131] Thousands of birds, including rare species, have been killed by the blades of wind turbines,[132] though wind turbines contribute relatively insignificantly to anthropogenic avian mortality (birds killed by humans). Wind farms and nuclear power plants are responsible for between 0.3 and 0.4 bird deaths per gigawatt-hour (GWh) of electricity while fossil fuel power stations are responsible for about 5.2 fatalities per GWh. In comparison, conventional coal-fired generators contribute significantly more to bird mortality.[133] A study on recorded bird populations in the United States from 2000 to 2020 found the presence of wind turbines had no significant effect on bird population numbers.[134]

Energy harnessed by wind turbines is variable, and is not a "dispatchable" source of power; its availability is based on whether the wind is blowing, not whether electricity is needed. Turbines can be placed on ridges or bluffs to maximize the access of wind they have, but this also limits the locations where they can be placed.[126] In this way, wind energy is not a particularly reliable source of energy. However, it can form part of the energy mix, which also includes power from other sources. Technology is also being developed to store excess energy, which can then make up for any deficits in supplies.[135]

Wind turbines have blinking lights that warn aircraft, to avoid collisions.[136] Residents living near windfarms, especially those in rural areas, have complained that the blinking lights are a bothersome form of light pollution.[136] A light mitigation approach involves Aircraft Detection Lighting Systems (ADLSs) by which the lights are turned on, only when the ADLS's radar detects aircraft within thresholds of altitude and distance.[136]

Records

Éole, the largest vertical-axis wind turbine, in Cap-Chat, Quebec, Canada

See also List of most powerful wind turbines

Véase también

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  • Robert Gasch, Jochen Twele (eds.), Centrales eólicas. Fundamentos, diseño, construcción y funcionamiento , Springer 2012 ISBN 978-3-642-22937-4.
  • Erich Hau, Aerogeneradores: fundamentos, tecnologías, aplicaciones, economía , Springer, 2013 ISBN 978-3-642-27150-2(Vista previa en Google Libros)
  • Siegfried Heier, Integración en la red de sistemas de conversión de energía eólica , John Wiley & Sons, 3.ª edición (2014), ISBN 978-1-119-96294-6
  • Peter Jamieson, Innovación en el diseño de turbinas eólicas . Wiley & Sons (2011), ISBN 978-0-470-69981-2
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  • Alois Schaffarczyk (ed.), Comprensión de la tecnología de la energía eólica , John Wiley & Sons, (2014), ISBN 978-1-118-64751-6
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  • Consejo Mundial de Energía Eólica
  • La turbina eólica más grande del mundo
  • Aprovechamiento del viento (45 conferencias sobre turbinas eólicas del profesor Magdi Ragheb)