Aprovechando la fuerza del viento

Tomando el ejemplo del Reino Unido, en mayo de 2023, según el operador del sistema de electricidad de National Grid, el 44 por ciento de la energía generada provenía de fuentes renovables, alcanzando un día un pico del 80 por ciento. La generación por combustión de gas se situaba en el 34 por ciento del total, mientras que la eólica era la segunda mayor fuente con un 19,6 por ciento, por delante de las importaciones con un 18,3 por ciento, la energía nuclear con un 15,1 por ciento y la energía solar con apenas un 8,5 por ciento.

Globalmente, la eólica sigue siendo la principal tecnología renovable no hidroeléctrica, contribuyendo con 1.870 TWh de generación en 2021, “casi tanto como todas las demás juntas”, de acuerdo al informe de seguimiento de la Agencia Internacional de Energía (AIE - IEA) de septiembre de 2022. El estudio añade que la cantidad de electricidad procedente del viento en 2021 obtuvo un récord mundial de 273 TWh. Esto fue posible porque en 2020 se añadió una cifra récord de 113 GW de capacidad de generación eólica, en comparación con los 59 GW de 2019. Este aumento se debe, en parte, a los plazos establecidos por China y Estados Unidos. En 2021, China añadió un tercio menos de capacidad de generación eólica que en 2020, en tanto que Estados Unidos una cuarta parte menos. Estas desaceleraciones se compensaron parcialmente con un mayor crecimiento de la capacidad en otros lugares. En total, la capacidad mundial de generación eólica aumentó en 94 GW en 2021.

A pesar de que esto parece un “buen progreso”, la AIE estima que se requiere la instalación de alrededor de 7.900 TWh de capacidad de generación eólica para 2030 al respaldar el objetivo de cero emisiones netas de carbono para 2050. Esto supone incorporar 250 GW de capacidad de generación eólica cada año, hasta 2030, que es más del doble de lo que se añadió en el año récord de 2020. La Figura 1, proporcionada por la AIE, muestra el desafío al que nos enfrentamos y enfatiza la importancia de la generación de energía eólica dentro del contexto de la combinación de generación renovable.

Llevamos siglos construyendo molinos de viento – pensemos en los molinos de harina de Suffolk o en los sistemas de riego de los pólderes neerlandeses, cuyo diseño y funcionamiento se mantuvieron inalterados durante décadas. Los generadores de electricidad eólica actuales son máquinas sumamente sofisticadas que producen múltiples megavatios de energía.

Los diseños de las turbinas están evolucionando de diferentes maneras, particularmente en la altura de las torres en las que se montan, la longitud de sus palas y sus ubicaciones.

La altura de las torres está aumentando por dos grandes razones: la primera, para acomodar palas más largas y, la segunda, para elevar la turbina hacia el aire que se mueve más rápida y suavemente en comparación con el aire turbulento cerca del suelo.

La longitud de las aspas también crece, dado que la cantidad de energía que un aerogenerador puede capturar es proporcional al área que recorren sus palas que, a su vez, es proporcional al cuadrado de la longitud de la pala. Esta relación de la ley del cuadrado hace que aumentar la longitud de la hoja sea especialmente beneficioso en lo que se refiere a su efecto sobre la potencia de salida.

La Figura 2 (más arriba), proporcionada por el Departamento de Energía de Estados Unidos (DoE), refleja cómo las alturas de los bujes y los diámetros de los rotores han aumentado desde 1998 para las turbinas terrestres estadounidenses.

La Figura 3, que procede del mismo informe, demuestra que la capacidad promedio de generación de energía eólica terrestre en Estados Unidos también se está acercando a los 5 MW.

Los aerogeneradores situados en el mar (offshore) pueden ser más potentes que aquellos ubicados en tierra (onshore) y, en consecuencia, más eficaces. Además, puede resultar más sencilla la obtención de los permisos necesarios para su instalación en aguas abiertas que si se tratase de zonas (tierras) costeras superpobladas, permitiendo a los desarrolladores construir grandes parques eólicos que produzcan energía en una escala comparable a la de las centrales eléctricas de combustibles fósiles.

Los fabricantes de equipos están respondiendo a esta oportunidad con innovación. El récord de la turbina más grande del mundo parece cambiar constantemente y, por ejemplo, la Haliade-X de GE Wind Energy cuenta con un diámetro de rotor de 220 metros, una longitud de pala de 107 metros y una capacidad de generación de 14 MW. Está diseñada para para su despliegue en aguas abiertas y opera desde hace años en las instalaciones de la compañía en Róterdam (Países Bajos). Según GE Wind Energy, un solo aerogenerador marino Haliade-X 14 MW puede proporcionar hasta 74 GWh al año si se instala en el lugar adecuado del Mar del Norte alemán.

Por otro lado, la empresa china MingYang Smart Energy anunció en su momento la turbina híbrida eólica offshore MySE 16.0-242 que, con una salida de 16 MW, tiene una longitud de pala de 118 metros y un diámetro de rotor de 242 metros – un área de barrido equivalente a seis campos de fútbol.

La naturaleza intermitente de la generación eólica plantea un desafío a la hora de integrar su producción en la red más amplia. Algunos desarrolladores construyen sistemas híbridos que combinan la energía del viento con almacenamiento (generalmente baterías), energía solar e incluso la generación basada en combustibles fósiles. Esto último puede parecer contrario al sentido común, pero si los administradores de la red incentivan la producción constante de energía, puede ser financieramente ventajoso para los operadores utilizarlo.

También existe un argumento a favor del uso de la generación híbrida como parte de una microrred, es decir, una “isla” de generación y consumo de energía que sea independiente de una red más amplia. La inversión insuficiente a largo plazo en las redes eléctricas nacionales y regionales en algunos países conlleva que ahora estén mal equipadas para dar cabida a nuevas fuentes de generación de energía – hay una cola de años para conectar más de diez mil proyectos, que representan 2.000 GW de capacidad de generación y almacenamiento, a la red en Estados Unidos.

Según un informe del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), alrededor de 1.260 GW de la generación propuesta es “carbono cero” y una gran proporción de los proyectos son híbridos. La implementación de microrredes podría acortar esta espera.

El objetivo cero neto - net-zero requiere la instalación de capacidad de generación eólica adicional lo más rápidamente posible, lo que creará numerosas oportunidades de diseño e innovación en áreas tan diversas como sistemas de control de turbinas y esquemas de gestión de la red.

Los controladores de turbina demandarán sensores, sistemas de adquisición de datos, microcontroladores e interfaces de comunicación al abordar los desafíos de monitorización en tiempo real, detección de fallos y esquemas de mantenimiento basados en la condición.

Los sistemas de alimentación tendrán que realizar la conversión entre energía de CC (para almacenamiento) y energía de CA (para transmisión), así como ofrecer energía local para hacer funcionar sistemas como los mencionados anteriormente. También necesitarán emplear subsistemas como inversores y convertidores, junto a la circuitería para sincronizar la energía de CA con las conexiones de la red.

En aquellos sistemas híbridos que incluyen almacenamiento, habrá una fuerte demanda de conjuntos de baterías, sistemas de gestión de baterías (BMS), sensores de temperatura y gas y esquemas de aislamiento de energía para garantizar la seguridad. Los aerogeneradores también requerirán una conectividad robusta y fiable y enlaces a sistemas de monitorización, optimización y pronóstico basados en la nube que garantizan que las turbinas operen a su máximo rendimiento y su producción se utilice de la manera más efectiva.

Los LNK DC Power Electronic Capacitors (PEC) de Vishay son unos condensadores con cubierta plástica rectangular que pueden desempeñar un papel esencial en la circuitería de inversión y conversión de potencia.

Estos modelos PEC han sido desarrollados para rendir con tensión de CC y tensiones y corrientes de CA no sinusoidales. Se caracterizan por una elevada corriente de impulso nominal, una baja inductancia y un dieléctrico apolar. Diseñados para su conexión a barras colectoras, pueden resistir vibraciones de choque altas, estar rellenos de resina seca y encontrarse dentro de una carcasa de plástico ignífuga (retardante de la llama) que reduce el peso.

Las aplicaciones incluyen convertidores de enlace de CC (DC link), convertidores industriales y equipos de alimentación de CC.

Por su parte, los condensadores C4AF-F de Yageo KEMET representan un paso hacia adelante en la tecnología de filtrado de CA. Se pueden utilizar para filtrar los principales armónicos procedentes de los convertidores eólicos y limpiar la forma de onda de tensión y corriente transmitida a la carga o la red. Las unidades C4AF-F poseen una corriente de 40 Arms y son un 20 por ciento más compactas que los condensadores de película C4AF-T del mismo fabricante.

Estos componentes han sido testados para dotar de la máxima fiabilidad en entornos adversos y, por ende, cumplir los requisitos de aplicaciones eólicas que necesitan elementos más pequeños para funcionar durante más tiempo en condiciones difíciles.

TDK ofrece sus condensadores EPCOS MKP-Y2 para uso en tareas de supresión de interferencia en los circuitos de filtrado que tienen que trabajar a temperaturas de hasta +125 °C. Por ejemplo, las series B3202*H/J se distinguen por un rango de capacidad de 1 nF a 1 µF con una tensión máxima de 300 VAC.

Estos condensadores cuentan con las certificaciones IEC 60384-14:2013/AMD1:2016 y las aprobaciones AEC-Q200D, UL y EN. Las cubiertas cumplen los requisitos establecidos en UL94V-0.

El otro aspecto clave para construir una red de energía eólica es la conectividad – es decir, proporcionar la infraestructura física a través de la cual la electricidad generada puede fluir desde la turbina a la red, las baterías de almacenamiento o los usuarios locales dentro de una microrred.

Al igual que sucede con la tecnología de turbina, las soluciones de conectividad están evolucionando rápidamente para hacer frente a los desafíos de los entornos operativos terrestres y marítimos. Aquí, TE Connectivity pone a disposición de los clientes una gran cantidad de información útil sobre este tema, destacando que “cada conexión cuenta”, y presenta soluciones de conectividad que van desde conectores y varillas de tierra hasta conectores separables de 72,5 kV con protección ante sobretensiones integrada.

Todos estos sistemas electrónicos deben operar en condiciones difíciles, con exposición continua a las inclemencias meteorológicas, grandes flujos de corriente que crean campos eléctricos y magnéticos, vibración constante y ciclos térmicos, humedad cambiante y la amenaza de entrada de agua.

Con múltiples gigavatios de capacidad de generación eólica adicional necesarios para el próximo cambio de década, si queremos alcanzar nuestros objetivos de cero emisiones netas, nunca ha habido un mejor momento para involucrarse en el desafío de ingeniería para poder aprovechar el viento.