Energía eólica

La energía eólica es principalmente el uso de turbinas eólicas para generar electricidad. Históricamente, la energía eólica se ha utilizado en velas, molinos de viento y aerobombas. La energía eólica es una fuente de energía renovable, sostenible y popular que tiene un impacto mucho menor en el medio ambiente que la quema de combustibles fósiles. Los parques eólicos consisten en muchas turbinas eólicas individuales, que están conectadas a la red de transmisión de energía eléctrica.

En 2021, el viento suministró más de 1800 TWh de electricidad, lo que representó más del 6 % de la electricidad mundial y alrededor del 2 % de la energía mundial. Con alrededor de 100 GW agregados durante 2021, principalmente en China y Estados Unidos, la capacidad de energía eólica instalada a nivel mundial superó los 800 GW. Para ayudar a cumplir los objetivos del Acuerdo de París para limitar el cambio climático, los analistas dicen que debería expandirse mucho más rápido, en más del 1% de la generación de electricidad por año.

Los nuevos parques eólicos terrestres son más baratos que las nuevas plantas de carbón o gas, pero la expansión de la energía eólica se ve obstaculizada por los subsidios a los combustibles fósiles. Los parques eólicos terrestres tienen un mayor impacto visual en el paisaje que otras centrales eléctricas. Los pequeños parques eólicos terrestres pueden suministrar algo de energía a la red o proporcionar energía a ubicaciones aisladas fuera de la red. Los parques eólicos marinos proporcionan una fuente de energía más estable y fuerte y tienen menos impacto visual. Aunque en la actualidad hay menos energía eólica marina y los costos de construcción y mantenimiento son más altos, se está expandiendo.

La energía eólica es una energía renovable variable, por lo que se utilizan técnicas de administración de energía para hacer coincidir la oferta y la demanda, tales como: sistemas de energía eólica híbrida, energía hidroeléctrica u otras fuentes de energía despachables, exceso de capacidad, turbinas distribuidas geográficamente, exportación e importación de energía a áreas vecinas o almacenamiento en red. A medida que aumenta la proporción de energía eólica en una región, es posible que sea necesario actualizar la red. El pronóstico del tiempo permite que la red de energía eléctrica esté preparada para las variaciones predecibles en la producción que se produzcan.

Energía eólica

La energía eólica es la energía cinética del aire en movimiento, también llamada viento. La energía eólica total que fluye a través de una superficie imaginaria de área A durante el tiempo t es:{displaystyle E={frac {1}{2}}mv^{2}={frac {1}{2}}(Avtrho )v^{2}={frac {1}{2 }}Enrhov^{3},}

donde ρ es la densidad del aire; v es la velocidad del viento; Avt es el volumen de aire que pasa por A (que se considera perpendicular a la dirección del viento); Por tanto, Avtρ es la masa m que pasa por A. ½ ρv es la energía cinética del aire en movimiento por unidad de volumen.

La potencia es energía por unidad de tiempo, por lo que la potencia eólica incidente en A (por ejemplo, igual al área del rotor de un aerogenerador) es:{displaystyle P={frac {E}{t}}={frac {1}{2}}Arho v^{3}.}

La potencia del viento en una corriente al aire libre es, por tanto, proporcional a la tercera potencia de la velocidad del viento; la potencia disponible aumenta ocho veces cuando la velocidad del viento se duplica.

El viento es el movimiento del aire a través de la superficie de la Tierra, impulsado por áreas de alta y baja presión. La energía cinética del viento global promedió aproximadamente 1,50 MJ/m durante el período de 1979 a 2010, 1,31 MJ/m en el hemisferio norte con 1,70 MJ/m en el hemisferio sur. La atmósfera actúa como un motor térmico, absorbiendo calor a temperaturas más altas y liberando calor a temperaturas más bajas. El proceso es responsable de la producción de energía cinética eólica a razón de 2,46 W/m, manteniendo así la circulación de la atmósfera contra la fricción.

A través de la evaluación del recurso eólico es posible estimar el potencial de energía eólica a nivel mundial, por país o región, o para un sitio específico. El Global Wind Atlas proporcionado por la Universidad Técnica de Dinamarca en colaboración con el Banco Mundial proporciona una evaluación global del potencial de la energía eólica. A diferencia de los atlas de recursos eólicos 'estáticos' que promedian las estimaciones de la velocidad del viento y la densidad de potencia a lo largo de varios años, herramientas como Renewables.ninja proporcionan simulaciones variables en el tiempo de la velocidad del viento y la potencia de salida de diferentes modelos de turbinas eólicas con una resolución por hora. Se pueden obtener evaluaciones más detalladas y específicas del sitio del potencial del recurso eólico de proveedores comerciales especializados, y muchos de los desarrolladores eólicos más grandes tienen capacidades de modelado internas.

La cantidad total de energía económicamente extraíble disponible del viento es considerablemente mayor que el uso actual de energía humana de todas las fuentes. La fuerza del viento varía, y un valor promedio para un lugar dado no indica por sí solo la cantidad de energía que una turbina eólica podría producir allí.

Para evaluar los posibles sitios de energía eólica, a menudo se ajusta una función de distribución de probabilidad a los datos de velocidad del viento observados. Diferentes ubicaciones tendrán diferentes distribuciones de velocidad del viento. El modelo de Weibull refleja fielmente la distribución real de las velocidades del viento por hora/diez minutos en muchos lugares. El factor de Weibull a menudo está cerca de 2 y, por lo tanto, se puede usar una distribución de Rayleigh como un modelo menos preciso pero más simple.

Parques eólicos

Granja eólica	Capacidad (MW)	País	referencias
Parque eólico de Gansu	7,965	Porcelana
Parque eólico Muppandal	1,500	India
Alta (Oak Creek-Mojave)	1,320	Estados Unidos
Parque eólico de Jaisalmer	1,064	India

Un parque eólico es un grupo de aerogeneradores en el mismo lugar. Un gran parque eólico puede constar de varios cientos de aerogeneradores individuales distribuidos en un área extensa. El terreno entre las turbinas se puede utilizar con fines agrícolas o de otro tipo. Por ejemplo, Gansu Wind Farm, el parque eólico más grande del mundo, tiene varios miles de turbinas. Un parque eólico también puede estar ubicado en alta mar. Casi todas las turbinas eólicas grandes tienen el mismo diseño: una turbina eólica de eje horizontal que tiene un rotor contra el viento con 3 palas, unido a una góndola en la parte superior de una torre tubular alta.

En un parque eólico, las turbinas individuales están interconectadas con un sistema de recolección de energía y una red de comunicaciones de voltaje medio (a menudo 34,5 kV). En general, se establece una distancia de 7D (7 veces el diámetro del rotor de la turbina eólica) entre cada turbina en un parque eólico completamente desarrollado. En una subestación, esta corriente eléctrica de media tensión se incrementa en tensión con un transformador para la conexión al sistema de transmisión de energía eléctrica de alta tensión.

Características y estabilidad del generador

Los generadores de inducción, que a menudo se usaban para proyectos de energía eólica en las décadas de 1980 y 1990, requieren energía reactiva para la excitación, por lo que las subestaciones eléctricas que se usan en los sistemas de recolección de energía eólica incluyen bancos de capacitores sustanciales para la corrección del factor de potencia. Los diferentes tipos de generadores de turbinas eólicas se comportan de manera diferente durante las perturbaciones de la red de transmisión, por lo que los operadores del sistema de transmisión requieren un modelado extenso de las características electromecánicas dinámicas de un nuevo parque eólico para garantizar un comportamiento estable predecible durante las fallas del sistema (consulte el software de energía eólica). En particular, los generadores de inducción no pueden soportar la tensión del sistema durante las fallas, a diferencia de los generadores síncronos impulsados ​​por turbinas hidráulicas o de vapor.

Los generadores de inducción no se utilizan en las turbinas actuales. En su lugar, la mayoría de las turbinas utilizan generadores de velocidad variable combinados con un convertidor de potencia de escala parcial o completa entre el generador de la turbina y el sistema colector, que generalmente tienen propiedades más deseables para la interconexión de la red y tienen capacidades de conducción de bajo voltaje. Las turbinas modernas utilizan máquinas eléctricas doblemente alimentadas con convertidores de escala parcial o generadores de inducción de jaula de ardilla o generadores síncronos (excitados eléctrica y permanentemente) con convertidores de escala completa.

Los operadores de sistemas de transmisión proporcionarán al desarrollador de un parque eólico un código de red para especificar los requisitos para la interconexión a la red de transmisión. Esto incluirá el factor de potencia, la constancia de la frecuencia y el comportamiento dinámico de las turbinas del parque eólico durante una falla del sistema.

Energía eólica marina

La energía eólica marina son parques eólicos en grandes masas de agua, generalmente el mar. Estas instalaciones pueden utilizar los vientos más frecuentes y poderosos que están disponibles en estos lugares y tienen menos impacto visual en el paisaje que los proyectos en tierra. Sin embargo, los costos de construcción y mantenimiento son considerablemente más altos.

Siemens y Vestas son los principales proveedores de turbinas para energía eólica marina. Ørsted, Vattenfall y E.ON son los principales operadores offshore. En noviembre de 2021, el parque eólico de Hornsea en el Reino Unido es el parque eólico marino más grande del mundo con 1218 MW.

Red de captación y transmisión

En un parque eólico, las turbinas individuales están interconectadas con un sistema de recolección de energía y una red de comunicaciones de voltaje medio (generalmente 34,5 kV). En una subestación, esta corriente eléctrica de media tensión se incrementa en tensión con un transformador para la conexión al sistema de transmisión de energía eléctrica de alta tensión. Se requiere una línea de transmisión para llevar la energía generada a mercados (a menudo remotos). Para una estación en alta mar, esto puede requerir un cable submarino. La construcción de una nueva línea de alto voltaje puede ser demasiado costosa solo para el recurso eólico, pero los sitios eólicos pueden aprovechar las líneas ya instaladas para la generación de combustible convencional.

Los recursos de energía eólica no siempre se encuentran cerca de una alta densidad de población. A medida que las líneas de transmisión se vuelven más largas, aumentan las pérdidas asociadas con la transmisión de energía, ya que se exacerban los modos de pérdidas en longitudes más bajas y los nuevos modos de pérdidas ya no son despreciables a medida que aumenta la longitud, lo que dificulta el transporte de grandes cargas a grandes distancias.

Cuando la capacidad de transmisión no alcanza la capacidad de generación, los parques eólicos se ven obligados a producir por debajo de su potencial total o dejar de funcionar por completo, en un proceso conocido como restricción. Si bien esto lleva a que la generación renovable potencial no se aproveche, evita una posible sobrecarga de la red o el riesgo para un servicio confiable.

Uno de los mayores desafíos actuales para la integración de la red de energía eólica en algunos países es la necesidad de desarrollar nuevas líneas de transmisión para transportar energía desde parques eólicos, generalmente en áreas remotas poco pobladas debido a la disponibilidad de viento, a ubicaciones de alta carga, generalmente en las costas. donde la densidad de población es mayor. Es posible que las líneas de transmisión existentes en ubicaciones remotas no hayan sido diseñadas para el transporte de grandes cantidades de energía. En regiones geográficas particulares, las velocidades máximas del viento pueden no coincidir con la demanda máxima de energía eléctrica, ya sea en alta mar o en tierra. Una posible opción futura puede ser interconectar áreas geográficas muy dispersas con una súper red HVDC.

Capacidad y producción de energía eólica

Tendencias de crecimiento

En 2020, el viento suministró casi 1600 TWh de electricidad, lo que representó más del 5% de la generación eléctrica mundial y alrededor del 2% del consumo de energía. Con más de 100 GW agregados durante 2020, principalmente en China, la capacidad de energía eólica instalada global alcanzó más de 730 GW. Pero para ayudar a cumplir los objetivos del Acuerdo de París para limitar el cambio climático, los analistas dicen que debería expandirse mucho más rápido, en más del 1% de la generación de electricidad por año. La expansión de la energía eólica se ve obstaculizada por los subsidios a los combustibles fósiles.

La cantidad real de energía eléctrica que puede generar el viento se calcula multiplicando la capacidad nominal por el factor de capacidad, que varía según el equipo y la ubicación. Las estimaciones de los factores de capacidad para las instalaciones eólicas están en el rango de 35% a 44%.

Factor de capacidad

Dado que la velocidad del viento no es constante, la producción anual de energía de un parque eólico nunca es igual a la suma de las clasificaciones de la placa de identificación del generador multiplicada por el total de horas en un año. La relación entre la productividad real en un año y este máximo teórico se denomina factor de capacidad. Los datos en línea están disponibles para algunas ubicaciones y el factor de capacidad se puede calcular a partir de la producción anual.

A diferencia de las plantas generadoras alimentadas con combustible, el factor de capacidad se ve afectado por varios parámetros, incluida la variabilidad del viento en el sitio y el tamaño del generador en relación con el área de barrido de la turbina. Un generador pequeño sería más barato y lograría un factor de capacidad más alto, pero produciría menos energía eléctrica (y por lo tanto menos ganancias) con vientos fuertes. Por el contrario, un generador grande costaría más pero generaría poca energía adicional y, según el tipo, podría detenerse con vientos de baja velocidad. Por lo tanto, se buscaría un factor de capacidad óptimo de alrededor del 40-50%.

Penetración

La penetración de la energía eólica es la fracción de energía producida por el viento en comparación con la generación total. La participación de la energía eólica en el uso mundial de electricidad en 2021 fue de casi el 7%, frente al 3,5% en 2015.

No existe un nivel máximo generalmente aceptado de penetración del viento. El límite para una red en particular dependerá de las plantas generadoras existentes, los mecanismos de fijación de precios, la capacidad de almacenamiento de energía, la gestión de la demanda y otros factores. Una red de energía eléctrica interconectada ya incluirá capacidad de generación y transmisión de reserva para permitir fallas en los equipos. Esta capacidad de reserva también puede servir para compensar la generación variable de energía producida por las estaciones eólicas. Los estudios han indicado que el 20% del consumo total anual de energía eléctrica puede incorporarse con mínima dificultad.Estos estudios se han realizado para ubicaciones con parques eólicos dispersos geográficamente, algún grado de energía gestionable o hidroeléctrica con capacidad de almacenamiento, gestión de la demanda e interconectados a una gran área de red que permite la exportación de energía eléctrica cuando sea necesario. Más allá del nivel del 20%, existen pocos límites técnicos, pero las implicaciones económicas se vuelven más significativas. Las empresas eléctricas continúan estudiando los efectos de la penetración a gran escala de la generación eólica en la estabilidad y la economía del sistema.

Se puede especificar una cifra de penetración de energía eólica para diferentes períodos de tiempo, pero a menudo se cita anualmente. Para obtener el 100% de la energía eólica anualmente, se requiere un almacenamiento sustancial a largo plazo o una interconexión sustancial con otros sistemas que ya pueden tener un almacenamiento sustancial. Sobre una base mensual, semanal, diaria o por hora, o menos, el viento puede suministrar tanto como o más del 100% del uso actual, y el resto se almacena, exporta o reduce. La industria estacional podría aprovechar los tiempos de mucho viento y poco uso, como por la noche, cuando la producción eólica puede exceder la demanda normal. Dicha industria podría incluir la producción de silicio, aluminio, acero o gas natural e hidrógeno, y el uso de almacenamiento futuro a largo plazo para facilitar el 100% de la energía a partir de energía renovable variable.Los hogares también se pueden programar para aceptar energía eléctrica adicional bajo demanda, por ejemplo, subiendo de forma remota los termostatos del calentador de agua.

Variabilidad

La energía eólica es variable, y durante los períodos de poco viento, debe ser reemplazada por otras fuentes de energía. Actualmente, las redes de transmisión hacen frente a las interrupciones de otras plantas de generación y a los cambios diarios en la demanda eléctrica, pero la variabilidad de las fuentes de energía intermitentes, como la energía eólica, es más frecuente que la de las plantas de generación de energía convencionales que, cuando están programadas para operar, pueden ser capaces de entregan su capacidad nominal alrededor del 95% del tiempo.

La energía eléctrica generada a partir de la energía eólica puede ser muy variable en varias escalas de tiempo diferentes: horaria, diaria o estacional. La variación anual también existe pero no es tan significativa. Debido a que la generación y el consumo eléctrico instantáneo deben permanecer en equilibrio para mantener la estabilidad de la red, esta variabilidad puede presentar desafíos sustanciales para incorporar grandes cantidades de energía eólica en un sistema de red. La intermitencia y la naturaleza no despachable de la producción de energía eólica pueden aumentar los costos de regulación, la reserva operativa incremental y (a niveles de penetración altos) podría requerir un aumento en la gestión de la demanda de energía, el deslastre de carga, las soluciones de almacenamiento o la interconexión del sistema ya existentes con Cables HVDC.

Las fluctuaciones en la carga y la asignación por fallas de las grandes unidades generadoras de combustibles fósiles requieren una capacidad de reserva operativa, que se puede aumentar para compensar la variabilidad de la generación eólica.

En la actualidad, los sistemas de red con una gran penetración eólica requieren un pequeño aumento en la frecuencia de uso de las centrales eléctricas de reserva giratorias de gas natural para evitar una pérdida de energía eléctrica si no hay viento. Con una penetración de energía eólica baja, esto es un problema menor.

Las baterías a escala de servicios públicos a menudo se usan para equilibrar la variación de escala de tiempo por hora y más corta, pero las baterías de automóviles pueden ganar terreno a partir de mediados de la década de 2020. Los defensores de la energía eólica argumentan que los períodos de poco viento se pueden abordar simplemente reiniciando las centrales eléctricas existentes que se han mantenido listas o interconectadas con HVDC. Las redes eléctricas con centrales térmicas de respuesta lenta y sin conexión a redes con generación hidroeléctrica pueden tener que limitar el uso de la energía eólica.

Por el contrario, en días particularmente ventosos, incluso con niveles de penetración del 16%, la generación de energía eólica puede superar a todas las demás fuentes de energía eléctrica en un país. En Dinamarca, que tuvo una penetración en el mercado de la energía del 30 % en 2013, durante 90 horas, la energía eólica generó el 100 % de la energía del país, alcanzando un máximo del 122 % de la demanda del país a las 2 a. m. del 28 de octubre.

La combinación de diversificar las energías renovables variables por tipo y ubicación, pronosticar su variación e integrarlas con energías renovables despachables, generadores de combustible flexible y respuesta a la demanda puede crear un sistema de energía que tiene el potencial de satisfacer las necesidades de suministro de energía de manera confiable. La integración de niveles cada vez más altos de energías renovables se está demostrando con éxito en el mundo real:

En 2009, ocho autoridades estadounidenses y tres europeas, escribiendo en la principal revista profesional de ingenieros eléctricos, no encontraron "un límite técnico creíble y firme para la cantidad de energía eólica que pueden acomodar las redes eléctricas". De hecho, ninguno de los más de 200 estudios internacionales, ni estudios oficiales para las regiones del este y oeste de los EE. UU., ni la Agencia Internacional de Energía, ha encontrado costos importantes o barreras técnicas para integrar de manera confiable hasta un 30% de suministros renovables variables en la red. y en algunos estudios mucho más.— 

La energía solar tiende a ser complementaria a la eólica. En escalas de tiempo diarias o semanales, las áreas de alta presión tienden a traer cielos despejados y vientos superficiales bajos, mientras que las áreas de baja presión tienden a ser más ventosas y nubladas. En escalas de tiempo estacionales, la energía solar alcanza su punto máximo en verano, mientras que en muchas áreas la energía eólica es más baja en verano y más alta en invierno. Por lo tanto, la variación estacional de la energía eólica y solar tiende a cancelarse un poco. Los sistemas de energía eólica híbrida son cada vez más populares.

Previsibilidad

Se utilizan métodos de pronóstico de energía eólica, pero la previsibilidad de cualquier parque eólico en particular es baja para la operación a corto plazo. Para cualquier generador en particular, existe un 80 % de probabilidad de que la producción eólica cambie menos del 10 % en una hora y un 40 % de probabilidad de que cambie un 10 % o más en 5 horas.

En el verano de 2021, la energía eólica en el Reino Unido cayó debido a los vientos más bajos en setenta años : suavizar los picos mediante la producción de hidrógeno puede ayudar en el futuro cuando el viento tenga una mayor participación en la generación.

Si bien la salida de una sola turbina puede variar grande y rápidamente a medida que varía la velocidad del viento local, a medida que se conectan más turbinas en áreas cada vez más grandes, la salida de energía promedio se vuelve menos variable y más predecible. La previsión meteorológica permite preparar la red de energía eléctrica para las previsibles variaciones de producción que se produzcan.

La energía eólica casi nunca sufre fallos técnicos importantes, ya que los fallos de los aerogeneradores individuales apenas tienen efecto sobre la potencia total, por lo que la energía eólica distribuida es fiable y predecible, mientras que los generadores convencionales, aunque mucho menos variables, pueden sufrir grandes cortes impredecibles.

Almacen de energia

Por lo general, la hidroelectricidad convencional complementa muy bien la energía eólica. Cuando el viento sopla con fuerza, las estaciones hidroeléctricas cercanas pueden retener temporalmente el agua. Cuando baja el viento pueden, siempre que tengan la capacidad de generación, aumentar rápidamente la producción para compensar. Esto proporciona un suministro de energía general muy uniforme y prácticamente sin pérdida de energía y no utiliza más agua.

Alternativamente, cuando no se dispone de una cabeza de agua adecuada, la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo u otras formas de almacenamiento de energía en la red, como el almacenamiento de energía de aire comprimido y el almacenamiento de energía térmica, pueden almacenar la energía desarrollada por períodos de vientos fuertes y liberarla cuando sea necesario. El tipo de almacenamiento necesario depende del nivel de penetración del viento: la baja penetración requiere almacenamiento diario y la alta penetración requiere almacenamiento a corto y largo plazo, hasta un mes o más.La energía almacenada aumenta el valor económico de la energía eólica, ya que se puede cambiar para desplazar la generación de mayor costo durante los períodos de máxima demanda. Los ingresos potenciales de este arbitraje pueden compensar el costo y las pérdidas de almacenamiento. Aunque los sistemas de energía de almacenamiento por bombeo tienen solo un 75% de eficiencia y tienen altos costos de instalación, sus bajos costos de funcionamiento y su capacidad para reducir la carga base eléctrica requerida pueden ahorrar combustible y costos totales de generación eléctrica.

Ahorro de combustible y recuperación de la energía

Según la Asociación Estadounidense de Energía Eólica, la producción de energía eólica en Estados Unidos en 2015 evitó el consumo de 280 millones de metros cúbicos (73 000 millones de galones estadounidenses) de agua y redujo las emisiones de CO ₂ en 132 millones de toneladas métricas, al tiempo que proporcionó US$7 300 millones en ahorro de salud pública.

La energía necesaria para construir un parque eólico dividida en la producción total durante su vida útil, el rendimiento energético de la energía invertida, de la energía eólica varía, pero tiene un promedio de 20 a 25. Por lo tanto, el tiempo de amortización de la energía suele ser de alrededor de un año.

Ciencias económicas

La energía eólica terrestre es una fuente económica de energía eléctrica, más barata que las plantas de carbón y las nuevas plantas de gas. Según BusinessGreen, las turbinas eólicas alcanzaron la paridad de red (el punto en el que el costo de la energía eólica coincide con las fuentes tradicionales) en algunas áreas de Europa a mediados de la década de 2000 y en los EE. UU. aproximadamente al mismo tiempo. La caída de los precios continúa reduciendo el costo nivelado y se ha sugerido que alcanzó la paridad general de la red en Europa en 2010 y alcanzará el mismo punto en EE. UU. alrededor de 2016 debido a una reducción esperada en los costos de capital de alrededor del 12 %. En 2021, el director general de Siemens Gamesa advirtió que el aumento de la demanda de aerogeneradores de bajo coste, combinado con los altos costes de los insumos y del acero, aumenta la presión sobre los fabricantes y reduce los márgenes de beneficio.

El norte de Eurasia, Canadá, algunas partes de los Estados Unidos y la Patagonia en Argentina son las mejores áreas para la energía eólica terrestre: mientras que en otras partes del mundo, la energía solar, o una combinación de energía eólica y solar, tiende a ser más barata.

Costo y tendencias de la energía eléctrica

La energía eólica es intensiva en capital pero no tiene costos de combustible. Por lo tanto, el precio de la energía eólica es mucho más estable que los precios volátiles de las fuentes de combustibles fósiles. Sin embargo, el costo promedio estimado por unidad de energía eléctrica debe incorporar el costo de construcción de la turbina y las instalaciones de transmisión, los fondos prestados, el rendimiento para los inversionistas (incluido el costo del riesgo), la producción anual estimada y otros componentes, promediados durante el período proyectado. vida útil del equipo, que puede ser superior a 20 años. Las estimaciones de costos de energía dependen en gran medida de estas suposiciones, por lo que las cifras de costos publicadas pueden diferir sustancialmente.

La presencia de la energía eólica, incluso cuando está subvencionada, puede reducir los costes para los consumidores (5 000 millones de euros/año en Alemania) al reducir el precio marginal, al minimizar el uso de costosas centrales eléctricas de punta.

El costo ha disminuido a medida que la tecnología de turbinas eólicas ha mejorado. Ahora hay palas de turbinas eólicas más largas y livianas, mejoras en el rendimiento de las turbinas y una mayor eficiencia en la generación de energía. Además, los costos de gastos de capital y los costos de mantenimiento de los proyectos eólicos han seguido disminuyendo.

En 2021, un estudio de Lazard sobre electricidad no subsidiada dijo que el costo nivelado de electricidad de la energía eólica continúa cayendo, pero más lentamente que antes. El estudio estimó el costo de la nueva electricidad generada por el viento de $26 a $50/MWh, en comparación con la nueva energía de gas de $45 a $74/MWh. El costo medio de la energía de carbón existente totalmente obsoleta fue de $42/MWh, la nuclear de $29/MWh y la del gas de $24/MWh. El estudio estimó la energía eólica marina en alrededor de $83/MWh. La tasa de crecimiento anual compuesta fue del 4% anual de 2016 a 2021, en comparación con el 10% anual de 2009 a 2021.

Incentivos y beneficios para la comunidad

Los precios de las turbinas han caído significativamente en los últimos años debido a condiciones competitivas más duras, como el mayor uso de subastas de energía y la eliminación de subsidios en muchos mercados. A partir de 2021, todavía se otorgan subsidios a la energía eólica marina. Pero, por lo general, ya no son necesarios para la energía eólica terrestre en países con un precio del carbono muy bajo, como China, siempre que no haya subsidios a los combustibles fósiles que compitan entre sí.

Las fuerzas del mercado secundario brindan incentivos para que las empresas usen energía eólica, incluso si hay un precio superior por la electricidad. Por ejemplo, los fabricantes socialmente responsables pagan a las empresas de servicios públicos una prima que se destina a subsidiar y construir nueva infraestructura de energía eólica. Las empresas utilizan energía eólica y, a cambio, pueden afirmar que están realizando grandes esfuerzos "verdes". Los proyectos eólicos proporcionan impuestos locales o pagos en lugar de impuestos y fortalecen la economía de las comunidades rurales proporcionando ingresos a los agricultores con turbinas eólicas en sus tierras.

Energía eólica a pequeña escala

La energía eólica a pequeña escala es el nombre que se le da a los sistemas de generación eólica con capacidad para producir hasta 50 kW de energía eléctrica. Las comunidades aisladas, que de otro modo podrían depender de generadores diésel, pueden usar turbinas eólicas como alternativa. Las personas pueden comprar estos sistemas para reducir o eliminar su dependencia de la red eléctrica por razones económicas o para reducir su huella de carbono. Las turbinas eólicas se han utilizado para la generación de energía eléctrica doméstica junto con el almacenamiento de baterías durante muchas décadas en áreas remotas.

Se pueden encontrar ejemplos de proyectos de energía eólica a pequeña escala en un entorno urbano en la ciudad de Nueva York, donde, desde 2009, varios proyectos de construcción han cubierto sus techos con turbinas eólicas helicoidales tipo Gorlov. Aunque la energía que generan es pequeña en comparación con el consumo total de los edificios, ayudan a reforzar las credenciales 'verdes' del edificio de maneras que "mostrar a la gente su caldera de alta tecnología" no puede, y algunos de los proyectos también reciben el apoyo directo de la Autoridad de Investigación y Desarrollo de Energía del Estado de Nueva York.

Las turbinas eólicas domésticas conectadas a la red pueden utilizar el almacenamiento de energía de la red, reemplazando así la energía eléctrica comprada con energía producida localmente cuando esté disponible. El excedente de energía producido por los microgeneradores domésticos puede, en algunas jurisdicciones, alimentarse a la red y venderse a la empresa de servicios públicos, produciendo un crédito minorista para los propietarios de los microgeneradores para compensar sus costos de energía.

Los usuarios del sistema fuera de la red pueden adaptarse a la energía intermitente o usar baterías, sistemas fotovoltaicos o diesel para complementar la turbina eólica. Los equipos como los parquímetros, las señales de advertencia de tráfico, el alumbrado público o los portales inalámbricos de Internet pueden funcionar con una pequeña turbina eólica, posiblemente combinada con un sistema fotovoltaico, que carga una pequeña batería que reemplaza la necesidad de una conexión a la red eléctrica.

La generación distribuida a partir de recursos renovables está aumentando como consecuencia de la mayor concienciación sobre el cambio climático. Las interfaces electrónicas requeridas para conectar las unidades de generación renovable con el sistema de servicios públicos pueden incluir funciones adicionales, como el filtrado activo para mejorar la calidad de la energía.

Los aerogeneradores aerotransportados, como las cometas, se pueden utilizar en lugares con riesgo de huracanes, ya que se pueden desmontar con antelación.

Impacto en el medio ambiente y el paisaje

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El impacto ambiental de la energía eólica es menor en comparación con el de los combustibles fósiles. Según el IPCC, en las evaluaciones del ciclo de vida de las emisiones de gases de efecto invernadero de las fuentes de energía, las turbinas eólicas tienen un valor medio de 12 y 11 (gCO ₂ eq/kWh) para las turbinas marinas y terrestres, respectivamente. En comparación con otras fuentes de energía bajas en carbono, las turbinas eólicas tienen uno de los potenciales de calentamiento global más bajos por unidad de electricidad generada.

Los parques eólicos terrestres (en tierra) pueden tener un impacto visual significativo y un impacto en el paisaje. Debido a una densidad de potencia de superficie muy baja y a los requisitos de espacio, los parques eólicos normalmente necesitan estar distribuidos en más terreno que otras centrales eléctricas. Su red de turbinas, caminos de acceso, líneas de transmisión y subestaciones puede resultar en una "expansión de energía"; aunque la tierra entre las turbinas y las carreteras todavía se puede utilizar para la agricultura. También deben construirse lejos de las áreas urbanas, lo que puede conducir a la "industrialización del campo". Algunos parques eólicos se oponen por estropear potencialmente áreas escénicas protegidas, paisajes arqueológicos y sitios patrimoniales.Un informe del Consejo de Montañismo de Escocia concluyó que los parques eólicos dañan el turismo en áreas conocidas por sus paisajes naturales y vistas panorámicas.

La pérdida y fragmentación del hábitat son los mayores impactos potenciales sobre la vida silvestre de los parques eólicos terrestres. Pero el impacto ecológico mundial es mínimo. La construcción de parques eólicos cerca de humedales se ha relacionado con varios deslizamientos de tierra en pantanos en Irlanda que han contaminado ríos, como en Derrybrien (2003) y Meenbog (2020). Dichos incidentes podrían prevenirse con procedimientos de planificación y pautas de emplazamiento más estrictos. Las aspas de las turbinas eólicas han matado a miles de aves y murciélagos, incluidas especies raras, aunque las turbinas eólicas son responsables de muchas menos muertes de aves que las centrales eléctricas de combustibles fósiles. Esto se puede mitigar con un monitoreo adecuado de la vida silvestre.

Muchas palas de turbinas eólicas están hechas de fibra de vidrio y algunas solo tenían una vida útil de 10 a 20 años. Anteriormente, no había mercado para el reciclaje de estas cuchillas viejas y, por lo general, se desechaban en vertederos. Debido a que las hojas son huecas, ocupan un gran volumen en comparación con su masa. Desde 2019, algunos operadores de rellenos sanitarios han comenzado a exigir que las cuchillas se aplasten antes de enviarlas al vertedero. Es más probable que las cuchillas fabricadas en la década de 2020 estén diseñadas para ser completamente reciclables.

Los aerogeneradores también generan ruido. A una distancia de 300 metros (980 pies), esto puede ser de alrededor de 45 dB, que es un poco más alto que un refrigerador. A una distancia de 1,5 km (1 milla) se vuelven inaudibles. Hay informes anecdóticos de efectos negativos para la salud de las personas que viven muy cerca de las turbinas eólicas. La investigación revisada por pares generalmente no ha respaldado estas afirmaciones.

La Fuerza Aérea y la Marina de los Estados Unidos han expresado su preocupación de que la ubicación de grandes turbinas eólicas cerca de las bases "afectará negativamente al radar hasta el punto de que los controladores de tráfico aéreo perderán la ubicación de las aeronaves".

Política

Gobierno central

La energía nuclear y los combustibles fósiles están subvencionados por muchos gobiernos, y la energía eólica y otras formas de energía renovable también suelen estar subvencionadas. Se ha sugerido que un cambio de subsidio ayudaría a nivelar el campo de juego y apoyaría a los sectores energéticos en crecimiento, a saber, la energía solar, la energía eólica y los biocombustibles. La historia demuestra que ningún sector energético se desarrolló sin subsidios.

Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE) (2011), los subsidios a la energía reducen artificialmente el precio de la energía que pagan los consumidores, aumentan el precio que reciben los productores o reducen el costo de producción. "Los costos de los subsidios a los combustibles fósiles generalmente superan los beneficios. Los subsidios a las energías renovables y las tecnologías energéticas bajas en carbono pueden generar beneficios económicos y ambientales a largo plazo".

Tras los accidentes nucleares japoneses de 2011, el gobierno federal de Alemania está trabajando en un nuevo plan para aumentar la eficiencia energética y la comercialización de energías renovables, con un enfoque particular en los parques eólicos marinos. Según el plan, se construirán grandes turbinas eólicas lejos de las costas, donde el viento sopla de manera más constante que en tierra y donde las enormes turbinas no molestarán a los habitantes. El plan tiene como objetivo disminuir la dependencia de Alemania de la energía derivada del carbón y las centrales nucleares.

Opinión pública

Las encuestas sobre las actitudes del público en toda Europa y en muchos otros países muestran un fuerte apoyo público a la energía eólica. En 2008, las encuestas encontraron que alrededor del 80% de los ciudadanos de la UE apoyaban la energía eólica.

Bakker et al. (2012) encontraron en su estudio que los residentes que no querían que se construyeran turbinas cerca de ellos sufrían significativamente más estrés que aquellos que "se beneficiaban económicamente de las turbinas eólicas".

Aunque la energía eólica es una forma popular de generación de energía, los parques eólicos terrestres o cercanos a la costa a veces se oponen por su impacto en el paisaje (especialmente áreas escénicas, áreas patrimoniales y paisajes arqueológicos), así como por el ruido y el impacto en el turismo.

En una encuesta de 2007 sobre energía eólica en Canadá, el 89 % de los encuestados dijo que el uso de fuentes de energía renovables como la eólica o la solar era positivo para Canadá porque estas fuentes eran mejores para el medio ambiente. Solo el 4 por ciento consideró negativo el uso de fuentes renovables, ya que podrían ser poco confiables y costosos. Otra encuesta de 2007 concluyó que la energía eólica era la fuente de energía alternativa con más probabilidades de obtener apoyo público para el desarrollo futuro en Canadá, con solo el 16% en contra de este tipo de energía. Por el contrario, 3 de cada 4 canadienses se opusieron al desarrollo de la energía nuclear.

En otros casos, existe propiedad comunitaria directa de los parques eólicos. Los cientos de miles de personas que se han involucrado en los parques eólicos pequeños y medianos de Alemania demuestran ese apoyo allí.

Una encuesta de Harris de 2010 encontró un fuerte apoyo para la energía eólica en Alemania, otros países europeos y los Estados Unidos.

En China, Shen et al. (2019) encontraron que los habitantes de las ciudades chinas pueden resistirse a construir turbinas eólicas en áreas urbanas, con una proporción sorprendentemente alta de personas que mencionan un miedo infundado a la radiación como motivo de preocupación. Además, el estudio encuentra que, al igual que sus contrapartes en los países de la OCDE, los encuestados chinos urbanos son sensibles a los costos directos y las externalidades de la vida silvestre. La distribución de información relevante sobre las turbinas al público puede aliviar la resistencia.

Comunidad

Muchas compañías de energía eólica trabajan con las comunidades locales para reducir las preocupaciones ambientales y de otro tipo asociadas con parques eólicos particulares. En otros casos, existe propiedad comunitaria directa de proyectos de parques eólicos. Los procedimientos apropiados de consulta, planificación y aprobación del gobierno también ayudan a minimizar los riesgos ambientales. Es posible que algunos todavía se opongan a los parques eólicos, pero el Instituto de Australia dice que sus preocupaciones deben sopesarse frente a la necesidad de abordar las amenazas que plantea el cambio climático y las opiniones de la comunidad en general.

En los EE. UU., se informa que los proyectos de energía eólica aumentan las bases impositivas locales, ayudan a pagar escuelas, carreteras y hospitales, y revitalizan las economías de las comunidades rurales al proporcionar ingresos estables a los agricultores y otros propietarios de tierras.

En el Reino Unido, tanto el National Trust como la Campaign to Protect Rural England han expresado su preocupación por los efectos en el paisaje rural causados ​​por aerogeneradores y parques eólicos ubicados de manera inapropiada.

Algunos parques eólicos se han convertido en atracciones turísticas. El Centro de Visitantes del Parque Eólico de Whitelee tiene una sala de exhibición, un centro de aprendizaje, una cafetería con una plataforma de observación y también una tienda. Está dirigido por el Centro de Ciencias de Glasgow.

En Dinamarca, un esquema de pérdida de valor otorga a las personas el derecho a reclamar una compensación por la pérdida de valor de su propiedad si es causada por la proximidad a una turbina eólica. La pérdida debe ser de al menos el 1% del valor de la propiedad.

A pesar de este apoyo general al concepto de energía eólica en el público en general, a menudo existe oposición local y ha retrasado o abortado una serie de proyectos. Además de las preocupaciones sobre el paisaje, existe la preocupación de que algunas instalaciones puedan producir niveles excesivos de sonido y vibración que provoquen una disminución en el valor de las propiedades. Las posibles soluciones de recepción de transmisión incluyen el modelado predictivo de interferencias como un componente de la selección del sitio. Un estudio de 50.000 ventas de casas cerca de turbinas eólicas no encontró evidencia estadística de que los precios se vieran afectados.

Si bien los problemas estéticos son subjetivos y algunos consideran que los parques eólicos son agradables y optimistas, o símbolos de independencia energética y prosperidad local, a menudo se forman grupos de protesta para intentar bloquear algunas centrales eólicas por diversas razones.

Cierta oposición a los parques eólicos se descarta como NIMBYismo, pero una investigación realizada en 2009 encontró que hay poca evidencia para respaldar la creencia de que los residentes solo se oponen a los parques eólicos debido a una actitud de "No en mi patio trasero".

Geopolítica

El viento no se puede cortar a diferencia del petróleo y el gas, por lo que puede contribuir a la seguridad energética.

Diseño de turbina

Los aerogeneradores son dispositivos que convierten la energía cinética del viento en energía eléctrica. Como resultado de más de un milenio de desarrollo de molinos de viento e ingeniería moderna, las turbinas eólicas actuales se fabrican en una amplia gama de tipos de eje horizontal y eje vertical. Las turbinas más pequeñas se utilizan para aplicaciones como la carga de baterías para energía auxiliar. Se pueden usar turbinas un poco más grandes para hacer pequeñas contribuciones a un suministro de energía doméstico mientras se vende la energía no utilizada al proveedor de servicios públicos a través de la red eléctrica. Los conjuntos de grandes turbinas, conocidos como parques eólicos, se han convertido en una fuente cada vez más importante de energía renovable y se utilizan en muchos países como parte de una estrategia para reducir su dependencia de los combustibles fósiles.

El diseño de aerogeneradores es el proceso de definición de la forma y las especificaciones de un aerogenerador para extraer energía del viento. Una instalación de turbina eólica consta de los sistemas necesarios para capturar la energía del viento, orientar la turbina hacia el viento, convertir la rotación mecánica en energía eléctrica y otros sistemas para arrancar, detener y controlar la turbina.

En 1919, el físico alemán Albert Betz demostró que para una hipotética máquina ideal de extracción de energía eólica, las leyes fundamentales de conservación de la masa y la energía permitían capturar no más del 16/27 (59 %) de la energía cinética del viento. Este límite de Betz se puede aproximar a los diseños de turbinas modernas, que pueden alcanzar del 70 al 80 % del límite de Betz teórico.

La aerodinámica de un aerogenerador no es sencilla. El flujo de aire en las palas no es el mismo que el flujo de aire lejos de la turbina. La propia naturaleza de cómo se extrae la energía del aire también hace que la turbina desvíe el aire. Esto afecta a los objetos u otras turbinas aguas abajo, lo que se conoce como efecto Wake. Además, la aerodinámica de un aerogenerador en la superficie del rotor exhibe fenómenos que rara vez se ven en otros campos aerodinámicos. La forma y las dimensiones de las palas de la turbina eólica están determinadas por el rendimiento aerodinámico requerido para extraer eficientemente la energía del viento y por la fuerza requerida para resistir las fuerzas en la pala.

Además del diseño aerodinámico de las palas, el diseño de un sistema de energía eólica completo también debe abordar el diseño del cubo del rotor, la góndola, la estructura de la torre, el generador, los controles y la base de la instalación.

Historia

La energía eólica se ha utilizado desde que los humanos han puesto velas en el viento. El Códice del rey Hammurabi (reinado 1792 - 1750 aC) ya mencionaba molinos de viento para generar energía mecánica. Las máquinas impulsadas por viento utilizadas para moler granos y bombear agua, el molino de viento y la bomba de viento, se desarrollaron en lo que ahora es Irán, Afganistán y Pakistán en el siglo IX. La energía eólica estaba ampliamente disponible y no se limitaba a las orillas de los arroyos de flujo rápido, o más tarde, que requería fuentes de combustible. Las bombas eólicas drenaron los pólderes de los Países Bajos, y en regiones áridas como el medio oeste de Estados Unidos o el interior de Australia, las bombas eólicas proporcionaron agua para el ganado y las máquinas de vapor.

El primer molino de viento utilizado para la producción de energía eléctrica fue construido en Escocia en julio de 1887 por el profesor James Blyth del Anderson's College de Glasgow (precursor de la Universidad de Strathclyde). La turbina eólica con vela de tela de 10 metros (33 pies) de altura de Blyth se instaló en el jardín de su casa de vacaciones en Marykirk en Kincardineshire, y se usó para cargar acumuladores desarrollados por el francés Camille Alphonse Faure, para alimentar la iluminación de la casa, por lo tanto convirtiéndola en la primera casa del mundo en tener su energía eléctrica abastecida por energía eólica. Blyth ofreció el excedente de energía eléctrica a la gente de Marykirk para iluminar la calle principal, sin embargo, rechazaron la oferta porque pensaron que la energía eléctrica era "obra del diablo".Aunque más tarde construyó una turbina eólica para suministrar energía de emergencia al asilo, enfermería y dispensario local de lunáticos de Montrose, la invención nunca tuvo éxito ya que la tecnología no se consideró económicamente viable.

Al otro lado del Atlántico, en Cleveland, Ohio, Charles F. Brush diseñó y construyó una máquina más grande y de gran ingeniería en el invierno de 1887–1888. Este fue construido por su empresa de ingeniería en su casa y funcionó desde 1886 hasta 1900. La turbina eólica Brush tenía un rotor de 17 metros (56 pies) de diámetro y estaba montada en una torre de 18 metros (59 pies). Aunque grande para los estándares actuales, la máquina solo tenía una potencia nominal de 12 kW. La dínamo conectada se usó para cargar un banco de baterías o para hacer funcionar hasta 100 bombillas incandescentes, tres lámparas de arco y varios motores en el laboratorio de Brush.

Con el desarrollo de la energía eléctrica, la energía eólica encontró nuevas aplicaciones en la iluminación de edificios alejados de la energía generada centralmente. A lo largo del siglo XX, los caminos paralelos desarrollaron pequeñas estaciones eólicas adecuadas para granjas o residencias. La crisis del petróleo de 1973 desencadenó la investigación en Dinamarca y los Estados Unidos que condujo a generadores eólicos a escala comercial más grandes que podrían conectarse a las redes eléctricas para el uso remoto de la energía. Para 2008, la capacidad instalada de EE. UU. había alcanzado los 25,4 gigavatios y para 2012 la capacidad instalada era de 60 gigavatios. Hoy en día, los generadores de energía eólica funcionan en todos los rangos de tamaño, desde pequeñas estaciones para cargar baterías en residencias aisladas, hasta parques eólicos marinos del tamaño de un gigavatio que proporcionan energía eléctrica a las redes eléctricas nacionales.