Los límites físicos y tecnológicos de la energía eólica

 

Carlos de Castro, Margarita Mediavilla, Luis Javier de Miguel y Fernando Frechoso de la Universidad de Valladolid.31/08/2011.La mayoría de los trabajos previos publicados sobre el potencial de la energía eólica han utilizado metodologías bottom-up (de abajo a arriba). La idea es medir la velocidad de los vientos en miles de estaciones repartidas a lo largo del mundo. Con las estadísticas de estas velocidades se evalúa luego qué sitios son accesibles a los molinos y qué energía se podría extraer de ellos. Este es el llamado potencial tecnológico de la energía eólica.

A partir de él, otros autores han evaluado el potencial económico y/o sostenible, restringiendo el potencial tecnológico en virtud de barreras económicas y/o de criterios ecológicos, por ejemplo, no poner parques eólicos en parques naturales, o en sitios en los que económicamente no sean suficientemente rentables. Otros estudios añaden además restricciones temporales, en escenarios que se consideran realistas y posibles mediante las políticas adecuadas. Los resultados de estos estudios varían bastante, pero en los estudios más recientes podríamos hablar de una orquilla de 50-100 TW para el potencial tecnológico y de una orquilla factible tras las restricciones económicas, sostenibles y políticas de 1-7TW para antes del 2050. Por ejemplo, un escenario que mantuviera el crecimiento actual de la instalación de parques eólicos, nos llevaría a superar los 4TW de producción eléctrica para el año 2030.

En conclusión, la energía eólica parecía la fuente renovable ideal, y candidata principal, hacia una transición renovable factible y asequible desde las energías fósiles y nuclear, mitigando además los efectos del cambio climático.

Sin embargo, todos estos estudios tienen un fallo fundamental, resulta que las metodologías bottom-up ¡violan el principio de conservación de la energía! En realidad, desprecian la extracción de la energía cinética del viento que suponen los molinos eólicos lo que por encima del TW es un error grueso.

Así pues, nuestro estudio parte de la ley de la conservación de la energía (la potencia que se disipa en los vientos del mundo es aproximadamente constante). Tomamos estudios sobre la cantidad de esa energía total de todos los vientos en toda la atmósfera, para concluir que es de unos P₀ = 1200TW. Calculamos cuanta de esa energía se disipa en los primeros 200 metros (la accesible a los molinos), unos 100 TW. Es obvio pues que no podemos extraer toda la energía eólica de todos los vientos del mundo, así que todos los estudios anteriores (decenas) están mal.

Pero nos son útiles para los cálculos de cual es el potencial técnico, porque excluyen zonas de baja velocidad, muy alejadas (el océano profundo, la Antártida –que por cierto es el continente más ventoso), etc.

No sería accesible razonablemente más del 80% de esos 100TW, pero es que además, resulta que de un frente de viento de 200 metros de altura, más de la mitad de su energía nunca pasa por la zona de las aspas, además más de la mitad de la energía cinética que sí interactúa con los molinos no se transforma en electricidad neta, además los molinos hay que espaciarlos para evitar sombras y que baje el rendimiento del parque mucho, etc., total que cualquiera que haga sus propios cálculos llegará a la conclusión de que nunca llegaremos a transformar en electricidad ni el 1% de esos 100 TW. Conclusión: el límite técnico es 1TW, a partir de ahí viene el límite económico-ecológico y demás, siempre menor.

En nuestro estudio los factores de reducción que hemos empleado han sido:

1. La energía de la capa más baja de la atmósfera, f₁, P₀(h<200) = f₁·P₀
   En los 200 primeros metros se disipa alrededor de 100 TW. Aunque los 200 primeros metros suponen sólo el 2% de la atmósfera, en ellos se disipan aproximadamente 4 veces más energía que en capas más altas (hay más rozamiento), es decir aproximadamente el 8% de 1200TW.
2. Áreas accesibles de la Tierra (restricción geográfica), f₂. P_G = f₁·f₂·P₀
   Consideramos que las zonas oceánicas con profundidades de más de 200 metros, permanentemente cubiertas de hielos (e.g. Antártida), altas montañas, ciudades etc. No son accesibles a los molinos, esto excluye más del 75% de la superficie del planeta. Pero además, es en estas áreas donde la potencia disipada del viento es mayor porque los vientos llevan en el mar y en la Antártida mucha más velocidad que en la superficie terrestre. Esto significa que f2 < 0,2, es decir menos del 20% de la energía cinética se disipa en zonas accesibles donde podríamos poner los molinos eólicos.
3. Porcentaje de la energía de un frente de viento que interactúa con los molinos, f₃
   Puesto que los molinos eólicos se sitúan en parques, para evitar sombras y evitar una disminución del rendimiento de los molinos (wake effect) se espacian estos. Este espaciado y el hecho de que el giro de las palas es un círculo sobre un rectángulo de 200 metros de alto, significa que menos del 30% de las moléculas en movimiento de un frente de viento que atraviesa un parque tiene la oportunidad de interactuar con los molinos. f3 < 0,3.
4. Áreas accesibles con potencial eólico razonable, f₄
   Incluso en áreas accesibles a los molinos, es razonable que no pondremos parques en zonas de bajas velocidades de viento. Los expertos clasifican las zonas del 1 al 6, siendo 5 o 6 las preferidas para nuestros parques (un parque situado en una zona 6 necesita la mitad de molinos para producir la misma electricidad que si se situara en uno de clase 3). Nosotros suponemos, como hacen otros autores, que en el futuro utilizaríamos zonas de clase 3 o superior (aunque salga mucho más cara la electricidad producida en los parques de clase 3 que los de clase 6). Según los estudios, la mayor parte de las zonas accesibles son de clase 1 y 2 y llevan aproximadamente la mitad de toda la energía, es decir, que f4 ~ 0,5.
5. Porcentaje de las velocidades de vientos que son utilizables para producir electricidad en zonas de potencial eólico razonable (no demasiada poca o mucha velocidad para extraer energía), f₅
   Los molinos eólicos se diseñan para producir electricidad en un régimen de velocidades dado, con demasiada velocidad de viento se paran para evitar fallos y roturas (y desperdician así los momentos de más potencia instantánea cinética del año) y con demasiada poca velocidad tampoco funcionan. Además, dan una potencia constante a partir de una cierta velocidad, sin aprovechar todo el potencial que lleva el viento. En los molinos actuales se desperdicia así más de la mitad de la energía que los atraviesa al cabo del año. Nosotros suponemos que mejoras futuras en el diseño elevarán f₅ a 0,75.
6. Eficiencia de la conversión de la energía cinética en energía eléctrica en los molinos, f₆
   Por último, existen límites físicos en el diseño de los molinos y su capacidad de transformar la energía del viento en energía mecánica en el rotor. La física (ley de Betz) dice que no podemos llegar al 59% de eficiencia. Pero además, el propio rotor, la conversión a electricidad, los transformadores, las paradas por mantenimiento, etc. generan pérdidas, haciendo que no lleguemos ni mucho menos al 50% de eficiencia en los molinos actuales. Suponemos nosotros que la tecnología mejorará y se acercará al límite teórico de tal forma que f6 ~0,5.

El resultado con los datos anteriores es que el potencial técnico sería: PT = f₁·f₂·f₃·f₄·f₅·f₆·P₀ ~1TWe

Por supuesto el límite accesible será menor si decidimos que no ponemos parques en zonas de viento de clase 3 porque resulta muy caro, o si no destinamos el suficiente capital en I+D para aproximarnos al límite de Betz o al diseño de molinos capaces de producir electricidad en orquillas más altas de velocidades… Y pueden existir otros límites no considerados aquí, como la escasez de neodimio para imanes permanentes de altas prestaciones que hagan subir los precios de la electricidad eólica o que se busquen motores y bobinados más baratos pero menos eficientes…

Más bien pronto que tarde, unos parques eólicos interactuarán con otros (tragedia de los comunes) y si en España, por ejemplo, se tratara de estrujar al máximo sus vientos, resulta que en Francia y Alemania sus parques comenzarían a rendir menos, porque los vientos españoles resulta que son muchas veces los mismos que terminan soplando en Francia (la misma molécula que pasó al lado del Prado puede terminar absorbida en el Louvre antes de acabar el día).

El potencial eólico pues se ha sobrestimado en uno o dos órdenes de magnitud, nuestros resultados hacen que, de ser vista como la posible panacea, la energía eólica no superará nunca el 10% del consumo que hoy tenemos de energía fósil.

Bibliografía básica:

Archer C. L., M. Z. Jacobson, 2005. Evaluation of global wind power. Journal of Geophysical Research, vol. 110, D12110. doi:10.1029/2004JD005462

Capps S.B., C.S. Zender, 2010. The estimated global ocean wind power potential from QuickScat observations, accounting for turbine characteristics and sitting. Journal of Geophysical Research. Vol 115, D01101, 13PP, doi:10.1029/2009JD012679

Estos dos artículos utilizan las metodologías clásicas.

Peixoto, J. P., Oort, A. H., 1992. Physics of climate. American Institute of Physics, 1, 379–385, 1992. 109

Sorensen, B., 2004. Renewable energy: its physics, engineering use, environment impacts, economy and planning aspects. Elsevier Acad. Press.

Estos dos proporcionan datos sobre el total de energía cinética disipada en la atmósfera, energía de la que partimos nosotros para nuestra estimación top-down

La mayoría de los trabajos previos publicados sobre el potencial de la energía eólica han utilizado metodologías bottom-up (de abajo a arriba). La idea es medir la velocidad de los vientos en miles de estaciones repartidas a lo largo del mundo. Con las estadísticas de estas velocidades se evalúa luego qué sitios son accesibles a los molinos y qué energía se podría extraer de ellos. Este es el llamado potencial tecnológico de la energía eólica.

A partir de él, otros autores han evaluado el potencial económico y/o sostenible, restringiendo el potencial tecnológico en virtud de barreras económicas y/o de criterios ecológicos, por ejemplo, no poner parques eólicos en parques naturales, o en sitios en los que económicamente no sean suficientemente rentables. Otros estudios añaden además restricciones temporales, en escenarios que se consideran realistas y posibles mediante las políticas adecuadas. Los resultados de estos estudios varían bastante, pero en los estudios más recientes podríamos hablar de una orquilla de 50-100 TW para el potencial tecnológico y de una orquilla factible tras las restricciones económicas, sostenibles y políticas de 1-7TW para antes del 2050. Por ejemplo, un escenario que mantuviera el crecimiento actual de la instalación de parques eólicos, nos llevaría a superar los 4TW de producción eléctrica para el año 2030.

En conclusión, la energía eólica parecía la fuente renovable ideal, y candidata principal, hacia una transición renovable factible y asequible desde las energías fósiles y nuclear, mitigando además los efectos del cambio climático.

Sin embargo, todos estos estudios tienen un fallo fundamental, resulta que las metodologías bottom-up ¡violan el principio de conservación de la energía! En realidad, desprecian la extracción de la energía cinética del viento que suponen los molinos eólicos lo que por encima del TW es un error grueso.

Así pues, nuestro estudio parte de la ley de la conservación de la energía (la potencia que se disipa en los vientos del mundo es aproximadamente constante). Tomamos estudios sobre la cantidad de esa energía total de todos los vientos en toda la atmósfera, para concluir que es de unos P₀ = 1200TW. Calculamos cuanta de esa energía se disipa en los primeros 200 metros (la accesible a los molinos), unos 100 TW. Es obvio pues que no podemos extraer toda la energía eólica de todos los vientos del mundo, así que todos los estudios anteriores (decenas) están mal.

Pero nos son útiles para los cálculos de cual es el potencial técnico, porque excluyen zonas de baja velocidad, muy alejadas (el océano profundo, la Antártida –que por cierto es el continente más ventoso), etc.

No sería accesible razonablemente más del 80% de esos 100TW, pero es que además, resulta que de un frente de viento de 200 metros de altura, más de la mitad de su energía nunca pasa por la zona de las aspas, además más de la mitad de la energía cinética que sí interactúa con los molinos no se transforma en electricidad neta, además los molinos hay que espaciarlos para evitar sombras y que baje el rendimiento del parque mucho, etc., total que cualquiera que haga sus propios cálculos llegará a la conclusión de que nunca llegaremos a transformar en electricidad ni el 1% de esos 100 TW. Conclusión: el límite técnico es 1TW, a partir de ahí viene el límite económico-ecológico y demás, siempre menor.

En nuestro estudio los factores de reducción que hemos empleado han sido:

1. La energía de la capa más baja de la atmósfera, f₁, P₀(h<200) = f₁·P₀
   En los 200 primeros metros se disipa alrededor de 100 TW. Aunque los 200 primeros metros suponen sólo el 2% de la atmósfera, en ellos se disipan aproximadamente 4 veces más energía que en capas más altas (hay más rozamiento), es decir aproximadamente el 8% de 1200TW.
2. Áreas accesibles de la Tierra (restricción geográfica), f₂. P_G = f₁·f₂·P₀
   Consideramos que las zonas oceánicas con profundidades de más de 200 metros, permanentemente cubiertas de hielos (e.g. Antártida), altas montañas, ciudades etc. No son accesibles a los molinos, esto excluye más del 75% de la superficie del planeta. Pero además, es en estas áreas donde la potencia disipada del viento es mayor porque los vientos llevan en el mar y en la Antártida mucha más velocidad que en la superficie terrestre. Esto significa que f2 < 0,2, es decir menos del 20% de la energía cinética se disipa en zonas accesibles donde podríamos poner los molinos eólicos.
3. Porcentaje de la energía de un frente de viento que interactúa con los molinos, f₃
   Puesto que los molinos eólicos se sitúan en parques, para evitar sombras y evitar una disminución del rendimiento de los molinos (wake effect) se espacian estos. Este espaciado y el hecho de que el giro de las palas es un círculo sobre un rectángulo de 200 metros de alto, significa que menos del 30% de las moléculas en movimiento de un frente de viento que atraviesa un parque tiene la oportunidad de interactuar con los molinos. f3 < 0,3.
4. Áreas accesibles con potencial eólico razonable, f₄
   Incluso en áreas accesibles a los molinos, es razonable que no pondremos parques en zonas de bajas velocidades de viento. Los expertos clasifican las zonas del 1 al 6, siendo 5 o 6 las preferidas para nuestros parques (un parque situado en una zona 6 necesita la mitad de molinos para producir la misma electricidad que si se situara en uno de clase 3). Nosotros suponemos, como hacen otros autores, que en el futuro utilizaríamos zonas de clase 3 o superior (aunque salga mucho más cara la electricidad producida en los parques de clase 3 que los de clase 6). Según los estudios, la mayor parte de las zonas accesibles son de clase 1 y 2 y llevan aproximadamente la mitad de toda la energía, es decir, que f4 ~ 0,5.
5. Porcentaje de las velocidades de vientos que son utilizables para producir electricidad en zonas de potencial eólico razonable (no demasiada poca o mucha velocidad para extraer energía), f₅
   Los molinos eólicos se diseñan para producir electricidad en un régimen de velocidades dado, con demasiada velocidad de viento se paran para evitar fallos y roturas (y desperdician así los momentos de más potencia instantánea cinética del año) y con demasiada poca velocidad tampoco funcionan. Además, dan una potencia constante a partir de una cierta velocidad, sin aprovechar todo el potencial que lleva el viento. En los molinos actuales se desperdicia así más de la mitad de la energía que los atraviesa al cabo del año. Nosotros suponemos que mejoras futuras en el diseño elevarán f₅ a 0,75.
6. Eficiencia de la conversión de la energía cinética en energía eléctrica en los molinos, f₆
   Por último, existen límites físicos en el diseño de los molinos y su capacidad de transformar la energía del viento en energía mecánica en el rotor. La física (ley de Betz) dice que no podemos llegar al 59% de eficiencia. Pero además, el propio rotor, la conversión a electricidad, los transformadores, las paradas por mantenimiento, etc. generan pérdidas, haciendo que no lleguemos ni mucho menos al 50% de eficiencia en los molinos actuales. Suponemos nosotros que la tecnología mejorará y se acercará al límite teórico de tal forma que f6 ~0,5.

El resultado con los datos anteriores es que el potencial técnico sería: PT = f₁·f₂·f₃·f₄·f₅·f₆·P₀ ~1TWe

Por supuesto el límite accesible será menor si decidimos que no ponemos parques en zonas de viento de clase 3 porque resulta muy caro, o si no destinamos el suficiente capital en I+D para aproximarnos al límite de Betz o al diseño de molinos capaces de producir electricidad en orquillas más altas de velocidades… Y pueden existir otros límites no considerados aquí, como la escasez de neodimio para imanes permanentes de altas prestaciones que hagan subir los precios de la electricidad eólica o que se busquen motores y bobinados más baratos pero menos eficientes…

Más bien pronto que tarde, unos parques eólicos interactuarán con otros (tragedia de los comunes) y si en España, por ejemplo, se tratara de estrujar al máximo sus vientos, resulta que en Francia y Alemania sus parques comenzarían a rendir menos, porque los vientos españoles resulta que son muchas veces los mismos que terminan soplando en Francia (la misma molécula que pasó al lado del Prado puede terminar absorbida en el Louvre antes de acabar el día).

El potencial eólico pues se ha sobrestimado en uno o dos órdenes de magnitud, nuestros resultados hacen que, de ser vista como la posible panacea, la energía eólica no superará nunca el 10% del consumo que hoy tenemos de energía fósil.

Bibliografía básica:

Archer C. L., M. Z. Jacobson, 2005. Evaluation of global wind power. Journal of Geophysical Research, vol. 110, D12110. doi:10.1029/2004JD005462

Capps S.B., C.S. Zender, 2010. The estimated global ocean wind power potential from QuickScat observations, accounting for turbine characteristics and sitting. Journal of Geophysical Research. Vol 115, D01101, 13PP, doi:10.1029/2009JD012679

Estos dos artículos utilizan las metodologías clásicas.

Peixoto, J. P., Oort, A. H., 1992. Physics of climate. American Institute of Physics, 1, 379–385, 1992. 109

Sorensen, B., 2004. Renewable energy: its physics, engineering use, environment impacts, economy and planning aspects. Elsevier Acad. Press.

Estos dos proporcionan datos sobre el total de energía cinética disipada en la atmósfera, energía de la que partimos nosotros para nuestra estimación top-down

·Artículo original aquí:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421511004836

Publicado en: http://www.crisisenergetica.org/article.php?story=2011083116270061