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MÓDULO 3: ENERGÍA EÓLICA
TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA EÓLICA
Lectura 1: La energía eólica
Instituto Tecnológico de la Energía Irene Aguado Cortezón
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CONTENIDOS
1. INTRODUCCIÓN _________________________________________________________ 3
2. APLICACIONES DE LA ENERGÍA EÓLICA_______________________________________ 5
2.1. Parques eólicos terrestres __________________________________________________ 5 2.2. Parques eólicos marinos ____________________________________________________ 5 2.3. Instalaciones aisladas ______________________________________________________ 6
2.4. Bombeo de agua __________________________________________________________ 7 2.5. Otras aplicaciones _________________________________________________________ 8
3. LA CONTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA ___________________________________ 9
4. POLÍTICA ENERGÉTICA ___________________________________________________ 11
5. POTENCIAL DE LA ENERGÍA EÓLICA ________________________________________ 12
5.1. El potencial del recurso eólico a nivel mundial _________________________________ 12 5.2. El potencial de los parques eólicos offshore ___________________________________ 13
5.3. Perspectivas globales de la energía eólica _____________________________________ 13
6. BARRERAS AL DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICA ___________________________ 15
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Años 20 La electricidad se generaliza como importación de petróleo, favorece el uso de la eólica en zonas aisladas^ fuente de energía y, las dificultades para la
1973 Primera Crisis del Petróleo: se aumenta el esfuerzo investigador en energía eólica: surge una nueva generación de aerogeneradores comerciales más grandes y eficientes. 1981 Se instala el primer aerogenerador en España (Tarifa, 100 kW). 1987 Primeros parques eólicos conectados a red en Gerona y Tenerife. Años 90 Las medidas de apoyo en el plan energético nacional, ayudan a despegar eólica en España (tamaño medio de las máquinas 200 kW).^ a la tecnología
2009 En España, la energía eólica suministró el 13% del consumo anual de energía eólica (el tamaño medio de las máquinas supera los 1.800 kW).
Tabla 1: Breve historia de la energía eólica
En las sucesivas revoluciones industriales, los combustibles fósiles como el carbón o el petróleo, desplazaron el uso de la energía eólica en las aplicaciones que le quedaban reservadas. Sin embargo, en el contexto energético actual marcado por el agotamiento de los combustibles fósiles y la necesidad de trazar políticas energéticas más respetuosas con el medioambiente, las energías renovables y principalmente la energía eólica por su nivel de desarrollo, han vuelto a captar la atención de los países desarrollados como solución tecnológica para la producción de energía eléctrica. Entre las principales ventajas de las energías renovables en general, y de la energía eólica en particular, cabe citar las siguientes:
Tecnologías respetuosas con el medioambiente. No contribuyen a la emisión de gases de efecto invernadero, ni agresivos con la capa de ozono. Tampoco generan residuos peligrosos como restos de combustible, vertidos o materiales nocivos para la salud humana.
Fuente de energía autóctona. No son necesarios combustibles procedentes del exterior para garantizar el suministro energético de una zona determinada.
Recurso energético inagotable. No hay limitaciones esenciales en la fuente primaria de energía que suponga límites a su utilización en el futuro.
Los detractores de la tecnología aluden al impacto paisajístico y medioambiental de esta tecnología, principalmente sobre la fauna local del emplazamiento. Otro argumento muy extendido es que el coste de la energía producida es superior al de aquella suministrada por otras fuentes, como las centrales de ciclo térmico de gas natural o las nucleares. Por último, otro aspecto muy criticado es la irregularidad de la generación eólica debido a la aleatoriedad del viento, que se traduce en una complicada predicción de la energía generada disponible y en un número de horas equivalentes de producción menor que el de las centrales convencionales. Este y otros aspectos serán analizados y valorados a lo largo del módulo.
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2. APLICACIONES DE LA ENERGÍA EÓLICA
Como ya se ha comentado en la introducción, las aplicaciones de la energía eólica han sido muy variadas a lo largo de la historia. Sin embargo, las que mayor grado de tecnológico han alcanzado son aquellas relacionadas con la producción de energía eléctrica: en grandes parques eólicos terrestres o marinos, en instalaciones aisladas de la red eléctrica principal y, en menor medida, las destinadas al bombeo de agua.
2.1. Parques eólicos terrestres
Los parques eólicos terrestres conectados a la red eléctrica son sin lugar a dudas la aplicación más desarrollada de la tecnología eólica. También conocida como “gran eólica”, compite en coste y calidad de suministro con las tecnologías convencionales de producción como las centrales térmicas de carbón, fuel o gas natural, así como con las nucleares e hidráulicas. Los parques eólicos son agrupaciones de aerogeneradores que comparten la infraestructura de conexión a la red eléctrica (líneas de evacuación, subestaciones de transformación, etc.), los accesos y la gestión (seguridad, mantenimiento, trámites administrativos, etc.). En estas instalaciones se transforma la energía cinéticas de las masas de aire en energía eléctrica, que es vertida a redes de suministro para su transporte y distribución a los puntos de consumo.
Figura 2: Parque eólico terrestre.
El proceso de generación de energía eléctrica se inicia cuando el viento mueve las palas de los aerogeneradores. Éstas, a su vez, mueven el eje de un generador eléctrico que produce energía eléctrica. Se trata del mismo principio utilizado en las centrales hidroeléctricas, donde en lugar de la energía cinética del viento, se emplea la energía potencial de un salto de agua. De igual modo ocurre en las centrales térmicas convencionales y en las nucleares, donde se aprovecha la energía del vapor a presión generador a partir del combustible (ya sea por la combustión de una materia fósil o por la reacción de fisión de material radiactivo). Esto pone de manifiesto que, cualquier ingenio mecánico que genere movimiento puede utilizarse para producir electricidad con los elementos mecánicos auxiliares adecuados.
2.2. Parques eólicos marinos
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En este caso se trata de instalaciones pequeñas que normalmente cuentan con un único aerogenerador de potencia inferior a los 100 kW. Para garantizar el suministro ininterrumpido durante todo el año, estas instalaciones rara vez emplean únicamente un aerogenerador. Normalmente la instalación se complementa con un sistema de almacenamiento energético en baterías y, en muchos casos, con un panel solar para dotar a la instalación de mayor estabilidad y fiabilidad ante la ausencia de viento o de sol.
Aunque en países desarrollados con una red eléctrica de distribución amplia es difícil encontrar este tipo de instalaciones más allá de los ejemplos mencionados, para el abastecimiento de pequeñas poblaciones de países en vías de desarrollo la “pequeña eólica” está jugando un papel fundamental. Se estima que en el mundo hay 2000 millones de persona sin acceso a la electricidad en áreas en que la única solución para el abastecimiento energético son las instalaciones aisladas porque no existen mercados eléctricos establecidos en las zonas rurales, ni se cumplen en dichas zonas los criterios de rentabilidad que rigen las operaciones de las multinacionales de la energía).
2.4. Bombeo de agua
Como se ha comentado en la introducción, el bombeo de agua fue una de las principales aplicaciones de la energía eólica. En la actualidad, aunque la producción de energía eléctrica es con diferencia la aplicación más notable de la energía eólica, el bombeo de agua también continúa teniendo cierta relevancia debido a su eficacia y su robustez.
Figura 4: Aerogenerador empleado en instalaciones de bombeo.
En este tipo de instalaciones, el objetivo es extraer agua de un pozo subterráneo y almacenarla en un depósito, para su utilización en diversas aplicaciones: riego de cultivos en agricultura, suministro de agua de consumo en viviendas o granjas aisladas, etc. A diferencia de las instalaciones aisladas, en este tipo de instalaciones no es necesario mantener un suministro de forma ininterrumpida. Por tanto, en este caso no es necesario complementar la instalación con otra fuente de suministro energético o con un sistema de almacenamiento ya que el agua se almacena en los momentos en que hay viento, pudiéndose utilizar cuando se necesite.
En general, existen dos tipos de instalaciones de bombeo en función de la naturaleza de la bomba:
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Instalaciones con bomba mecánica. En este caso no existe una conversión de energía mecánica a eléctrica, como en los aerogeneradores convencionales, si no que es la propia energía mecánica sobre el eje del molino la que se utiliza directamente para accionar la bomba. Existen diferentes configuraciones, como las bombas de pistón, de tornillo helicoidal o centrífugas.
Instalaciones con bomba eléctrica. En este caso el aerogenerador dispone de un generador eléctrico para producir la energía eléctrica con la que se alimenta la bomba. Este tipo de instalaciones es más eficiente puesto que el molino no tiene que situarse en la ubicación del pozo, donde se encuentra la bomba, si no que puede situarse en el emplazamiento óptimo según la disponibilidad del viento.
2.5. Otras aplicaciones
Además de las principales aplicaciones mencionadas en los apartados anteriores, existen otras de aplicación más marginal, que se encuentran todavía en vías de desarrollo y pertenecen al campo de la investigación. En la mayoría de los casos se trata de la combinación de la energía eólica con otras fuentes de energía renovable, con sistemas de almacenamiento y/o con aplicaciones específicas. Son las siguientes:
Centrales hídricas de bombeo, hidroeléctrico-eólicas. Las centrales hidroeléctricas de bombeo tradicionales son una forma de almacenamiento energética integrada en el sistema eléctrico español. Estas centrales bombean agua a un depósito elevados cuando el precio de la energía es barato (horas valle) y, cuando la demanda energética es mayor y el precio de mercado más elevado, turbinan el agua almacenada (horas pico). De forma análoga, en los últimos años se han planteado este tipo de instalaciones combinadas con turbinas eólicas. El ejemplo más significativo de sistema hídrico eólico-hidráulico es el proyecto de la isla de El Hierro, que pretende garantizar con una solución de este tipo el 100% del abastecimiento de energía de la isla.
Otras formas de almacenamiento de la energía eólica. En la actualidad se están realizando estudios de viabilidad para combinar las instalaciones eólicas con diferentes formas de almacenamiento como el almacenamiento de hidrógeno, los volantes de inercia, el almacenamiento en forma de frío y la compresión de aire en grutas.
Desalación mediante aerogeneradores marinos. La desalación mediante energía eólica se plantea en plataformas instaladas en el mar, a una distancia de la costa de hasta 5 km. A partir de agua salada y sin la conversión intermedia a energía eléctrica, se podría obtener agua potable bombeando el agua del mar a alta presión contra una membrana de ósmosis inversa, que retiene las sales del agua marina en una de sus caras, dejando pasar el agua dulce hacia la otra.
Obtención de energía térmica a partir de la energía del viento. Esto es posible a través del calentamiento de agua provocado por el rozamiento mecánico de un artilugio accionado directamente por el propio molino o mediante la compresión de un fluido refrigerante en lo que se denomina “bomba de calor”. Estas aplicaciones todavía se encuentran en el ámbito de la investigación.
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En las siguiente gráficas se puede observar tanto la evolución de la generación eólica como la evolución de la potencia instalada en España para el periodo comprendido entre los años 2000 y
Figura 5: Evolución de la generación eólica 2000-2013. Fuente: Elaboración propia a partir de datos de REE.
Figura 6: Evolución de la potencia eólica instalada 2000-2013. Fuente: Elaboración propia a partir de datos de REE.
4.689 6.^
9.257 11.
20.37722.
43.20842.
0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
GWh
Evolución de la Generación Eólica
2.298 3.^
18.72219.
22.57322.
0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
MW
Evolución de la Potencia Eólica Instalada
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4. POLÍTICA ENERGÉTICA
El espectacular progreso que ha seguido la energía eólica en España se debe principalmente a que los sucesivos gobiernos han establecido una legislación con claras ventajas para la producción de energía a partir de fuentes de energía renovables y, en especial, a partir de energía eólica. La producción de energía eléctrica en régimen especial, donde se incluye la producción de energía eólica, se ha visto favorecida por la regulación española en dos aspectos fundamentales:
Prioridad de acceso a la energía de origen renovable. En el Mercado Ibérico de la Electricidad (MIBEL) la prioridad de acceso se traduce en que, para cubrir la demanda, se emplea primero la producción de las instalaciones de energías renovables y, a continuación, la generación de las instalaciones de fuentes de energía convencional (centrales térmicas, centrales de ciclo combinado, etc.). Por tanto, la prioridad de acceso garantiza a una instalación que toda la energía que pueda producir va a poder venderse en el mercado eléctrico, siempre que sea técnicamente viable para el sistema eléctrico.
Primas de producción. Las primas de producción son un incentivo económico que las instalaciones de energías renovables perciben por encima del precio de mercado y que sufraga el gobierno. Con estas primas se facilita la rentabilidad de las instalaciones de energías renovables. La política energética española es el resultado de la transposición de una serie de directivas europeas en materia energética que han ido marcando objetivos cada vez mayores en cuanto a la participación de las energía renovables en la estructura energética europea, donde la energía eólica tiene un papel fundamental por la madurez y el desarrollo tecnológico que ha alcanzado en los últimos años. Entre esta cabe destacar la Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de abril de 2009, donde se establecen los objetivos 20/20/20 para el año 2038:
Reducción de un 20% de las emisiones respecto a las cifras de 1990.
Incremento de un 20% de las energía renovables respecto a la total consumida.
Incremento de un 20% en la eficiencia energética.
Para lograr los objetivos en materia energética establecidos por el Parlamento Europeo, en España han sido aprobados diferentes planes de promoción energética, en donde se marcaban objetivos a alcanzar en cuanto a producción de energía a partir de fuentes de energía renovables, en general, y de producción de energía eléctrica a partir del viento, en particular.
Plan de Fomento de las Energías Renovables (PFER) 2000-2010, publicado en 2000.
Plan de Energía Renovables (PER) 2005-2010, publicado en 2005. En el actual PER el objetivo para la energía eólica era una producción de 45.511 GWh y una potencia instalada de 20.155 MW para 2010. A la vista de las gráficas de evolución de la producción eólica y de la potencia eólica instalada durante el periodo 2000-2013 mostradas en la sección anterior, los objetivos para el año 2010 del PER prácticamente se alcanzaron. La producción eólica par ese año fue de 43.208 GWh a partir de una potencia instalada de 19.569 MW. En la actualidad, el Gobierno de España está redactando un nuevo plan y ha presentado a los grupos parlamentarios una propuesta de composición de mix energético para 2020, que establece como objetivo para la energía eólica alcanzar 35.000 MW instalada en tierra y 5.000 en el mar.
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las regiones del mundo. Es bastante improbable que en zonas extensas de nuestro planeta no exista viento como para que la tecnología eólica no se pueda desarrollar. Sin embargo, el dato más llamativo del trabajo de Archer y Jacobson es el de la potencia máxima que se podría instalar en parques eólicos. Los autores estiman que, con el viento disponible en nuestro planeta y con la tecnología actual, sería posible obtener una potencia equivalente de 72 TW. Aprovechando solamente el 25% de este potencial sería posible garantizar el consumo global de energía primaria y más de 6 veces la demanda de electricidad.
5.2. El potencial de los parques eólicos offshore
Otro trabajo publicado con resultados en la misma línea es el denominado A Framework for Offshore Wind Energy Development in the United States (Marco de trabajo para el desarrollo de la energía eólica en parques marinos en los Estados Unidos). El estudio se desarrolló por un consorcio formado por expertos del MTC (Massachusetts Technology Collaborative), el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) y la compañía norteamericana General Electric, con la intención de establecer las estrategias que permitan hacer de la energía eólica marina una alternativa al suministro masivo en los Estados Unidos. De esta manera, sería posible hacer frente a las necesidades de energía del país en el medio y largo plazo sin contribuir al incipiente calentamiento global. El Departamento de Energía Norteamericano ha estimado que el recurso eólico disponible en las costas americanas es suficiente para instalar parque eólicos con una potencia total de hasta 900 GW. Esta cifra, que es similar al consumo eléctrico total de Norteamérica, es aproximadamente de cinco veces la potencia total instalada en el mundo. El caso de Estados Unidos es sólo un ejemplo del potencial de la energía eólica marina, que da una idea de hasta qué punto podría llegar a desarrollarse esta tecnología.
5.3. Perspectivas globales de la energía eólica
En Perspectivas globales de la energía eólica , trabajo desarrollado por Greenpeace y el Consejo Mundial de Energía Eólica (GWEC), se evalúa el potencial de penetración de esta tecnología en las redes de suministro de electricidad de todo el mundo. Al contrario que los otros dos trabajos ya comentados, en este caso no se parte de la cuantificación del recurso eólico. En este estudio el punto de partida son las predicción al desarrollo de la propia industria eólica, por lo que el estudio se puede englobar en los llamados estudios de mercado.
El trabajo incluye tres escenarios que denomina “escenario de referencia”, “escenario moderado” y “escenario avanzado”. Están ordenados desde el punto de vista de su exigencia en cuanto a las acciones a poner en marcha para garantizar la consecución de los objetivos de cada uno de dichos escenarios. El escenario conservador parte del informe de la Agencia Internacional de la Energía (IEA) sobre la perspectiva de la energía en el mundo. En dicho informe, a partir de la evolución de la industria en los últimos años, se proyecta el crecimiento esperado hasta el año 2030 y también hasta 2050. Además, este escenario supone que todas las medidas de política para apoyar las energía renovables que ya estén previstas en los diferentes países son implementadas con éxito.
Los resultados del informe para este escenario muestran que la energía eólica podría proporcionar el 5% de la electricidad mundial en 2030 y el 6,6% en el 2050. Es decir, a nivel global, la contribución de esta tecnología podría alcanzar el grado de penetración que actualmente tiene en países como
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Alemania, y que, por tanto, el éxito alcanzado en Europa con la implementación de sus políticas energéticas de fomento de la eólica se repite a escala mundial. La proyección moderada del crecimiento de la energía eólica supone que en los próximos años se tomarán medidas ambiciosas de ahorro de energía, además de las políticas ya iniciadas a día de hoy de promoción de las renovables. Es decir, que al estímulo de las fuentes renovables ya en marcha en los países más desarrollados se añade un esfuerzo real de impulso en políticas de eficiencia y ahorro energético. El resultados para este escenario moderado concluye que, en 2030 la penetración de la energía eólica podría triplicar a la estimada en el escenario conservador, alcanzando el 15,6% de la electricidad mundial; mientras en el caso de 2050, la contribución de la eólica alcanzaría el 17,7%, valor cercano al que realmente se da hoy en Dinamarca, líder mundial en estos términos. La proyección avanzada del crecimiento de la energía eólica, la más exigente de las tres, añade a las condiciones de los escenarios conservador y moderado un conjunto de medidas políticas de promoción de las energías renovables. Dichas medidas, que son contempladas en el propio estudio, incluyen la adopción de objetivos vinculantes para la instalación de energías renovables, de nuevos mecanismos de pago para estas tecnologías, el desarrollo de nuevas infraestructuras de acceso a la red eléctrica y de procedimientos administrativos apropiados.
Los principales resultados del estudio llevado a cabo por Greenpeace y GWEC se muestran en la siguiente tabla:
ESCENARIO POLÍTICAS ENERGÉTICAS
Cobertura demanda para 2030
Cobertura demanda para 2050
ESCENARIO DE REFERENCIA
Las medidas de apoyo a las renovables se implementan con éxito
ESCENARIO
MODERADO
Estímulo de las renovables Políticas de eficiencia y ahorro energético
ESCENARIO
AVANZADO
Nuevos mecanismos de pago a las renovables Nuevas infraestructuras de acceso a la red Procedimientos administrativos apropiados
Tabla 5: Principales resultados del estudio "Perspectivas globales de la energía eólica" (Greenpeace y GWEC)
Con el resultado final de la proyección avanzada, la energía eólica podría proveer el 29,1% de la electricidad mundial en el 2030 y el 34,2% en el 2050; es decir, aproximadamente el doble de la contribución del escenario moderado y 6 veces el del escenario conservador. Esta contribución a la producción de energía eléctrica en todo el mundo convertiría a la eólica en una de las tecnologías más importantes. En la actualidad, la fuente que más contribuye al suministro eléctrico son las centrales de carbón y la siguiente las centrales de gas natural. De cumplirse el escenario avanzado, la eólica podría llegar a convertirse en la segunda fuente de suministro eléctrico.
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Figura 8: Parada de 800 MW de generación eólica (24/02/2010, entre las 03:00 y las 07:00). Fuente: REE.
Se han planteado muchas soluciones para evitar “apagar” los parques eólicos durante las noches de mucho viento y lograr aprovechar de este modo todo el recurso eólico disponible. Una solución sería aumentar las interconexiones del sistema eléctrico español con otros países europeos para poder exportar el excedente eléctrico. Sin embargo, la alternativa más aceptada es el almacenamiento de la energía eólica en las horas nocturnas (por esta razón, en la sección 2 la mayoría de aplicaciones analizadas en el ámbito de la investigación iban en este sentido). La opción de almacenamiento más viable hasta la fecha es el bombeo de agua durante la noche. A largo plazo, si la integración del vehículo eléctrico sigue la evolución que se prevé en la actualidad, la recarga del parque de vehículos eléctrico ayudaría a incrementar la demanda durante las noches, permitiendo a los parques eólicos verter a la red eléctrica toda la energía que reciban del recurso eólico.
Difícil gestión por su dependencia de las condiciones climáticas de viento
En cuanto a la variabilidad de disposición de potencia eólica, a modo de ejemplo, se indica que el día 20 de diciembre de 2012 a las 1:30 horas, el 39,1 % de la demanda es España fue cubierta con energía eólica, mientras que el día 15 de agosto del mismo año a las 1:50 horas apenas se cubrió el 9,9 %. Esto obliga a que el sistema eléctrico cuente con un parque de centrales gestionables en reserva para cubrir las posibles ausencias de viento.
