Diciembre de 2015

1. EL VIENTO

En este artículo se hará una presentación básica sobre lo que es el aprovechamiento de la energía del viento y sus posibilidades, como fuente de energía renovable con características de sostenibilidad. Se presentan los conceptos fundamentales sobre el viento y la energía eólica; se discuten las potencialidades del viento, los tipos de molinos de viento y se comenta sobre algunos de los desarrollos que se están llevando a cabo en la actualidad.

El viento es un flujo de aire a gran escala, que se genera por las fuerzas resultantes de diferencias locales y globales de energía. Estas diferencias pueden estar asociadas con temperaturas y presiones y se manifiestan como cambios espaciales en las densidades del aire.

La disponibilidad del viento varía fuertemente con el tiempo (con las estaciones y con las horas del día). Igualmente, se ve influenciada por la ubicación geográfica. Una razón para las diferencias energéticas en la tierra es el calentamiento diferencial de la superficie terrestre por el sol. La mayor radiación solar directa se da en los alrededores del Ecuador y disminuye considerablemente hasta llegar a sus valores menores en los polos. La emisión de la tierra se da en el rango infrarrojo principalmente, y en los polos es mayor que la irradiación que se recibe, por lo que se generan diferencias globales de energía.

Además de las diferencias de temperatura globales, también hay diferencias de presión. El Ecuador y las latitudes de 60° N y 60° S son zonas de baja presión y alrededor de las latitudes 30° N y 30°S y los polos se encuentran en zonas

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Enero de 2016

LA ENERGÍA EÓLICA Y LA SOSTENIBILIDAD ENERGÉTICA Y AMBIENTALAndrea Cadavid - Enrique Posada

Fig. 1 Sistemas Globales de VientoFuente: La memoria de los vientos. La circulación general atmosférica.

de alta presión. Por ello se forman unas células de circulación para equilibrar estas presiones. Es un mecanismo de regulación y equilibrio energético; sin este se daría lugar a que El Ecuador se caliente y los polos se enfríen cada vez más. En la figura 1 se observan los flujos de aire globales.

INDISA S.A.

2. EL APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA EÓLICA

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Fig. 2 Sistemas locales de vientos.Fuente: Pasión por volar. Vientos locales. Brisa marítima y terrestre.

En la figura 3, se muestra la velocidad promedio a nivel del mar para el periodo de 1976-95. Los números equivalen a las velocidades en m/s. Como se observa, en los trópicos hay zonas con menores velocidades de vientos que en las áreas correspondientes a las latitudes por encima de los 30 grados. Igualmente se ve la reducción en velocidad que se da en tierra firme, comparada con la velocidad en el mar.

En la figura 4 se aprecia información sobre la velocidad del viento promedio para todo el año en Colombia. Como se puede ver, existen varias zonas realmente no muy abundantes, en las cuales la velocidad es alta, y por ello aprovechable para mover molinos de viento con capacidad suficiente

Fig. 4 Velocidad media del viento en superficie. Promedio multianual.Fuente: Atlas de Viento y Energía Eólica de Colombia. IDEAM y UPME.

Fig. 3 Velocidades del viento globales.Fuente: http://www.energy-without-carbon.org/WindResource

para generar energía eólica en forma rentable, siendo la de mayor potencial la región de La Guajira, además por su constancia en las velocidades durante el año. En el interior del país los vientos son de menor intensidad y tienen carácter variable, lo que disminuye el potencial de aprovechamiento.

El viento ha sido aprovechado por los humanos de muchas maneras; tanto en el transporte, como en el bombeo de agua y la molienda de granos. De esta última aplicación se deriva el nombre de molinos de viento. El viento ha propor-cionado una fuente de energía para el trabajo mecánico, la electricidad y el ocio.

A nivel local la diferencia más influyente es la temperatura y se observa, por ejemplo, en las orillas del mar como se aprecia en la figura 2. En el día, la arena calienta el aire circundante el cual sube y arrastra el aire frío que viene del mar. En la noche cambia el fenómeno y el mar está más caliente que la arena por lo que la circulación se invierte. También las montañas de un valle que recibe el sol en distintas horas del día, como el Valle de Aburrá, generando corrientes entre las montañas del valle y las

2.1. Potencia, velocidad yáreas de aprovechamiento

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Fig. 6 Coeficiente de la potencia vs relación de velocidades de entrada y salida.

Fuente: Prof. Dr.- Ing. Jens Friedrichs. Asignatura “Sistemas de aerogeneradores”.

Fig. 5 Descripción del flujo del viento sobre un aerogenerador. Fuente: Prof. Dr.- Ing. Jens Friedrichs. Asignatura

“Sistemas de aerogeneradores”.

En el caso del aprovechamiento moderno de la energía eólica, el viento mueve las aspas de un aerogenerador y esta energía mecánica se transforma en energía eléctrica. Este principio es el mismo que el de las hidroeléctricas, donde debido a la rotación de una turbina en cuyo eje hay una bobina, se genera una inducción, obteniendo así electricidad.

La turbina del aerogenerador genera electricidad mientras se encuentre bajo el efecto del viento; con base en un área de aprovechamiento que está relacionada con el tamaño de los álabes, como se aprecia en la figura 5.

La medida en que los aerogeneradores pueden aprovechar la energía del viento, se calcula usando la fórmula que se presenta a continuación, en la cual Pviento es la potencia aprovechada por la turbina, Arotor es el área barrida por las aspas del rotor, C1 es la velocidad del viento antes del rotor, C2 es la velocidad del viento después del rotor, Cp corresponde al coeficiente de potencia.

Según la Ley de Betz, su valor máximo es 0.593; es decir, una turbina óptima sólo puede aprovechar mecánicamente hasta el 59.3% de la energía del

viento. Las turbinas de hoy en día que trabajan por fuerza de sustentación alcanzan un Cp entre 0.45 y 0.5; es decir, de un 75 a 80% del máximo teórico. En las turbinas de resistencia se alcanza un máximo de 0.2 es decir, una tercera parte del máximo teórico. Todo esto se ilustra en la figura 6 a continuación.

De acuerdo con todo lo anterior, se pueden ver cuáles son las características del aerogenerador que intervienen y afectan la potencia generada. La potencia generada es directamente proporcional al área que barre el rotor. Pero lo que es más importante todavía, es el efecto de la velocidad de viento, pues la potencia es proporcional al cubo de la velocidad.

En el rango de operación del generador hay una velocidad de encendido que es donde el giro del aerogenerador se sostiene, de manera que ya se pueda generar potencia. Esta potencia sube con el aumento de la velocidad. Al alcanzar la velocidad nominal, ya se está generando la máxima potencia posible; es por eso que cuando la velocidad del viento es mayor, entran a funcionar los equipos de regulación para mantener la velocidad del generador en los valores deseados. Si la velocidad del viento aumenta mucho más, llega un punto en que los equipos de regulación no pueden mantener la velocidad de giro controlada y se debe proceder a apagarlo pues la alta velocidad puede llevar a daños estructurales y mecánicos del aerogenerador.

2.2. Evolución histórica de los álabes y de

los molinos de viento

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Fig. 7 Molino Persa. Fuente: NOTEBAART, J.C.: Windmühlen, Mouton-Verlag, Den Haag 1972

Luego en la edad media vinieron los molinos europeos de torre y fueron los primeros de eje horizontal. Tienen una estructura fija por lo que no se puede direccionar el molino, respecto al viento. Funcionan por la fuerza de sustentación generada en las palas cuando el viento pasa por ellas. A partir del siglo XIII se empezaron a construir molinos de eje horizontal que se podían dirigir al viento, y se procedía a girar toda la estructura. Esto requería grandes fuerzas, lo que limitaban su tamaño y su potencia.

Más tarde, los holandeses crearon un sistema parecido, pero donde sólo se direccionaba la parte superior de la estructura, logrando aumentar su tamaño y usar mejor la energía del viento. No los usaron únicamente en las moliendas, sino también para drenar áreas de tierra ganadas al mar.

Un instrumento que facilitó notablemente la identificación de la dirección del viento fue la rosa de los vientos, la cual se ubicaba en la parte superior de los molinos e indicaba en qué dirección debía girarse el molino.

Otros desarrollos igualmente de alto impacto en esta aplicación, han sido por ejemplo la evolución de las aspas, al integrarle unas de tipo celosía, con las cuales se regula el área efectiva del rotor y por lo tanto la sustentación y velocidad del mismo.

La importancia de estos molinos fue notable en 1850. Alrededor de 30.000 molinos de viento estaban en operación en Holanda y norte de Alemania, pero con la expansión del uso de la máquina de vapor y la electrificación, los molinos perdieron su significado en Europa, bajando el número en Holanda a 1.400 en 1943.

Por su parte en América, se desarrollaron unas pequeñas turbinas de viento, que no necesitan de mucha velocidad del viento para operar; estas se usaron para bombear agua. La típica turbina americana consta de un eje axial y una veleta que la direcciona automáticamente en el sentido del viento, además cuenta con múltiples aspas, lo que le permite comenzar a girar con menos velocidad, pero con menor eficiencia. Hacia 1930 se habían hecho más de seis millones de turbinas.

Es por eso que los aerogeneradores deben estar ubicados en un lugar donde haya vientos con velocidades suficientes, cuyos promedios se mantengan en lo posible en rangos cercanos a la velocidad nominal del generador.

Originalmente la energía del viento se usaba para moler los granos. Esto inició con los molinos persas hace más de 2000 años, los cuales funcionaban bajo el principio de resistencia al viento, eran de eje vertical y el viento entraba por un embudo para aumentar la velocidad, como se observa en la figura 7.

3. ENERGÍA EÓLICA COMO FUENTE DE ENERGÍA EN LA ACTUALIDAD

2.3. Evolución modernade los molinos

Fig. 8 Partes de un aerogenerador modernoFuente: Arne Nordmann. Wikipedia.

En los años siguientes, estos molinos fueron perdiendo importancia, y sólo eran usados en lugares donde no se tenía acceso a la electricidad.

El desarrollo moderno de los molinos comenzó hacia 1941, cuando se creó un aerogenerador que tenía dos aspas e impulsaba un electro generador de una potencia nominal de 1250 kW. Desde allí y con todos los desarrollos en diferentes áreas, se ha logrado tener aerogeneradores de 6 MW. La figura 8 muestra las partes que componen un equipo de esta naturaleza.

La energía eólica se produce actualmente en todo el mundo, con una capacidad total instalada de 369.597 MW a finales de 2014, tal como se aprecia en la figura 9. Así como hay muchos parques eólicos en operación actualmente, hay muchos más en construcción y planeación. La potencia instalada viene creciendo y muchos países se han puesto metas de tener un porcentaje representativo de su energía generada por fuentes renovables, entre ellas la eólica.

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Estos desarrollos se han logrado gracias a innovaciones y mejoras a lo largo de tiempo. Por ejemplo se han hecho mejoramientos tales como: en los materiales pasando de partes metálicas a materiales compuestos que son resistentes y livianos; utilización de perfiles aerodinámicos con los cuales se logra una mayor fuerza de sustentación dando un mayor impulso al rotor; el estudio de los vientos en cuanto a su fuerza y conformación han permitido lograr mejores ubicaciones de los parques eólicos; construcción de torres cada vez más altas con lo cual se obtienen mayores velocidades; empleo de herramientas de medición y de direccionamiento asociadas con sistemas de control automatizado, con las cuales se logra regular el sentido del rotor para estar direccionado con el viento, así como el ángulo de las aspas para aprovechar mejor las velocidades.

4. TENDENCIAS TECNOLÓGICAS

4.1. Off shore

4.2. Energía distribuida

Tabla 1 Capacidad instalada (Dic. 2014)Fuente: Global Wind Energy Council.

http://www.gwec.net/global-figures/graphs/

Fig. 9 Capacidad instalada total por año a nivel mundial. Fuente: Global Wind Energy Council.

http://www.gwec.net/global-figures/graphs/

Países como Gran Bretaña y Alemania están expandiendo su horizonte hacia el mar; están montando parques eólicos marinos, pues se logran mejores regímenes de vientos. Este tipo de instalación tiene dificultades, pues su montaje y mantenimiento se hace más complicado y peligroso. Otra dificultad es el transporte de la energía hasta tierra firme, y ahí es donde se ha visto la necesidad de desarrollar mejores métodos de transmisión.

La energía eléctrica no es almacenable a alta escala; es por esto que los sistemas de generación deben idealmente acoplarse a la demanda del sistema; de lo contrario se pueden presentar apagones o inestabilidades. Además la transmisión de la energía tiene sus complicaciones, pues hay pérdidas debido al calentamiento de la línea, y cuanto

De igual manera como se observa en la tabla anterior, existen tres países en donde se tiene más del 50% de la capacidad instalada del mundo. Existe mucho interés porque gran parte de la energía que se consume provenga de fuentes renovables, tanto por el agotamiento de los combustibles fósiles, como por las metas que se tienen para rebajar las emisiones de CO2, a las cuales se las considera causantes del calentamiento global. Es por esto que ciertos países, algunos de ellos potencias desarrolladas, son los líderes en la implementación de estos equipos, así como en su desarrollo y mejoramiento.

Como se ha mencionado anteriormente, los vientos son mayores en el océano y el perfil de velocidad indica que a mayor altura se logran mayores velocidades; esa es la razón por la cual en la actualidad se busca construir generadores situados a mayor altura, de mayores diámetros. Muchos se están instalando en alta mar.

Otra tendencia actual es repotenciar los campos eólicos actuales. Aunque la vida útil de un generador de 20 años, se puede justificar mejorar sus mecanismos, o cambiarlo totalmente para lograr una mejor producción.

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5. COLOMBIA Y LA ENERGÍA EÓLICA

REFERENCIA DE LOS AUTORES

En Colombia se encuentra un parque eólico instalado en la Guajira. El parque Jepírachi perteneciente a EPM, tiene una capacidad instalada nominal de 19.5 MW, que corresponden a 15 aerogeneradores de 1.3 MW cada uno. En el lugar se cuenta con vientos relativamente constantes y con una velocidad promedio de 9.8 m/s. Este proyecto comenzó operación en el 2004.

ISAGEN en el 2009, estudió la posibilidad de instalar otro parque eólico en la Guajira, para el cual ya se obtuvo la licencia ambiental y se está avanzando en las etapas siguientes.

En el 2014 fue sancionada la ley 1715, la cual regula las energías renovables, lo cual debería estimular el desarrollo de proyectos de energía eólica y solar. El sector industrial debería explorar estas nuevas posibilidades. Hay tres proyectos presentados ante la Unidad de Planeación Minero Energética (UPME): Casa Eléctrica, Irraipa y Carrizal, son los nombres de los tres proyectos y fueron presentados por la empresa Jemeiwaa Ka’i S.A.S que fue fundada en el año 2010, mediante la inversión de capital extranjero como promotora de proyectos de energía eólica en Colombia. La instalación de los mismos, sería en el municipio de Uribia en La Guajira y con el resultado que se logrará, se espera que fomente el desarrollo de más proyectos similares.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Friedrichs , Jens. Material didáctico del curso “Sistemas de aerogeneradores”. Technische Universität Braunschweig, Alemania, 2014.

Global Wind Energy Council. http://www.gwec.net/

IDEAM, UPME. Atlas de Viento y Energía Eólica de Colombia.

http://www.energy-without-carbon.org/WindResource

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2.3.

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Enrique Posada Restrepo: Ingeniero Mecánico, Universidad Pontificia Bolivariana. B.S. and Master of Mechanical Engineering, University of Maine. Asesor Técnico, INDISA S.A, Medellín, Colombia,www.indisa.com.co. Correspondencia: enrique.posada@indisa.com.

Andrea Cadavid:Estudiante de Ingeneria Mecánica, Universidad EAFIT. Auxiliar de Ingeniería Mecánica, INDISA S.A. Medellín, Colombia, www.indisa.com.co Correspondencia: andrea.cadavid@indisa.com

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más larga es la distancia a recorrer, mayores son las pérdidas. Una forma de evitar esto es tener los centros de generación eléctrica distribuidos en pequeñas centrales cercanas a los lugares de demanda. Estas centrales generan con energías renovables, por lo que se tienen parques fotovoltaicos, unidades geotérmicas, sistemas de combustión de biomasa y parques eólicos de escala media o pequeña distribuidos en un gran territorio.