Energía Eólica: Definición, Historia, Efectos Ambientales Y Más.

La energía eólica es el uso del flujo de aire que circula a través de las turbinas eólicas para alimentar de forma mecánica los generadores de energía eléctrica. La energía eólica se usa como alternativa a la quema de combustibles fósiles ya que es abundante, renovable, ampliamente distribuida, limpia ademas de que no produce emisiones de gases de efecto invernadero en el transcurso de la operación, no consume agua y utiliza poca tierra. Los efectos que causa sobre el medio ambiente son mucho menos problemáticos y contaminantes que los de fuentes de energía no renovables.

¿Qué es la energía eólica?

Qué es la energía eólica

La energía eólica captura el viento natural en nuestra atmósfera y lo convierte en energía mecánica y luego en electricidad. La gente comenzó a usar la energía eólica hace siglos con molinos de viento, que bombeaban agua, granos molidos e hicieron otros trabajos.

Existen parques eólicos que consisten en muchas turbinas de viento individuales que normalmente están conectadas a la red de transmisión de energía eléctrica. El viento en tierra es una fuente muy económica de generar energía eléctrica, competitiva o en muchos lugares más barata que las plantas de carbón o gas. El viento en alta mar es más estable y más fuerte que en tierra, y las granjas marinas tienen menos impacto visual, pero los costos en construcción y también los de mantenimiento son considerablemente más altos considerando que se encuentran en el mar.

Los parques eólicos pequeños en tierra pueden alimentar un poco de energía en la red o proporcionar energía eléctrica a ubicaciones aisladas fuera de la red. La energía eólica proporciona una potencia algo variable que es muy consistente de un año a otro, pero que tiene una variación significativa en escalas de tiempo más cortas. Por lo tanto mayormente se utiliza junto con otras fuentes de energía eléctrica para proporcionar un suministro de energia confiable. A medida que aumenta la proporción de energía eólica en una determinada región, puede ocurrir una necesidad de actualizar dicha red y una capacidad reducida para suplantar la producción convencional.

Las técnicas de administración de energía como tener exceso de capacidad, suficiente energía hidroeléctrica, turbinas distribuidas geográficamente en el area, fuentes de respaldo despachables, transmitir, exportar e importar energía a áreas vecinas, o reducir la demanda cuando la producción eólica es baja, en muchos casos pueden superar estos problemas. Además, el pronóstico del tiempo permite que la red de energía eléctrica esté lista para las variaciones predecibles en la producción que ocurren.

A partir de 2015, Dinamarca genera el 40% de su energía eléctrica de la energía eólica, y al menos otros 83 países de todo el mundo utilizan la energía eólica para abastecer sus redes de energía eléctrica. En 2014, la capacidad global de energía eólica se expandió un 16% a 369,553 MW. La producción anual de energía eólica también está creciendo rápidamente y ha alcanzado alrededor del 4% del uso de energía eléctrica en todo el mundo, el 11,4% en la UE.

Historia

Historia

La energía eólica se ha utilizado siempre, un ejemplo es que los humanos hayan puesto velas en el viento para aprovechar el viento. Durante más de dos mil años las máquinas impulsadas por el viento tienen granos molidos y agua bombeada. La energía eólica estaba disponible ampliamente  y no era limitada a los bancos de arroyos de flujo rápido. El primer molino de viento utilizado para la producir la energía eléctrica se construyo en Escocia en julio de 1887 por el profesor James Blyth de Anderson’s College, Glasgow (el precursor de la Universidad de Strathclyde).

La turbina eólica de Blyth, de 10 metros (33 pies) de altura, fue instalada en el jardín de su casa de vacaciones en Marykirk en Kincardineshire y fue utilizada para cargar acumuladores desarrollados por el francés Camille Alphonse Faure, para alimentar la iluminación de la cabaña, así convirtiéndola en la primera casa del mundo en tener su energía eléctrica abastecida por energía eólica. Blyth ofreció la energía eléctrica excedente a la gente de Marykirk para encender la calle principal, sin embargo, rechazaron la oferta porque pensaban que la energía eléctrica era “obra del diablo”.

Más tarde construyó una turbina eólica para suministrar energía electrica de emergencia al Asilo Lunático local, Enfermería y Dispensario de Montrose, la invención nunca se hizo realidad debido a que la tecnología no se consideraba económicamente viable. En Cleveland-Ohio, una máquina más grande y pesadamente fue diseñada y construida en el invierno de 1887-1888 por Charles F. Brush, esta fue construida por su compañía de ingenieros en su casa y fue operada desde 1886 hasta 1900. The Brush la turbina eólica tenía un rotor de 17 metros (56 pies) de diámetro y estaba montada en una torre de 18 metros (59 pies).

Pero aunque es grande según los estándares actuales, esta máquina solo tenía una potencia de 12 kW. La dínamo conectada se usó para cargar un banco de baterías o para operar hasta 100 bombillas incandescentes, tres lámparas de arco y varios motores en el laboratorio de Brush.

Con el desarrollo de la energía eléctrica, a la energía eólica se le encontró nuevas aplicaciones en la iluminación de edificios alejados de la energía generada centralmente. A lo largo del siglo XX, las rutas paralelas que desarrollaron pequeñas estaciones eólicas adecuadas para granjas o residencias, y generadores de energía eólica mucho más grandes que podrían conectarse a redes de energía eléctricas para el uso remoto de la misma.

En la actualidad, los generadores eólicos operan en todos los rangos de tamaño como en pequeñas estaciones para cargar baterías en residencias aisladas, hasta parques eólicos marinos que proporcionan energía eléctrica a las redes eléctricas nacionales.

¿Qué es una turbina de viento?

energía eólica

La turbina eólica de hoy es una versión altamente evolucionada de un molino de viento. La mayoría de las turbinas eólicas tienen tres cuchillas y se asientan sobre una torre tubular de acero, y varían en tamaño desde turbinas de 80 pies de altura que pueden alimentar una sola casa con turbinas a escala de utilidad que accionan cientos de hogares.

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 la capacidad de producir hasta 50 kW de energía eléctrica. Las comunidades aisladas, que de lo contrario podrían depender de generadores diesel, pueden usar turbinas eólicas como alternativa. Las personas pueden comprar estos sistemas para reducir o eliminar su dependencia de la energía eléctrica 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 la batería durante muchas décadas en áreas remotas.

Ejemplos recientes de proyectos de energía eólica a pequeña escala en un entorno urbano se pueden encontrar en la ciudad de Nueva York, donde, desde 2009, una serie de proyectos de construcción han cubierto sus tejados con turbinas eólicas tipo Gorlov. Aunque la energía que generan es pequeña en comparación con el consumo general de los edificios, ayudan a reforzar las credenciales ‘verdes’ del edificio de forma 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 Energético del Estado de Nueva York.

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

Los usuarios del sistema fuera de la red pueden adaptarse a la energía intermitente o usar baterías, sistemas fotovoltaicos o diésel para complementar la turbina eólica. Equipos tales como parquímetros, señales de advertencia de tráfico, alumbrado público o puertas de enlace de Internet inalámbricas pueden ser alimentados por una pequeña turbina eólica, posiblemente combinada con un sistema fotovoltaico, que carga una batería pequeña reemplazando la necesidad de una conexión a la red eléctrica.

Efectos ambientales

El impacto ambiental de la energía eólica si se compara con los impactos ambientales de los combustibles fósiles es relativamente mucho menor. Según el IPCC, en las evaluaciones del potencial de calentamiento global del ciclo de vida de las fuentes de energía, las turbinas eólicas tienen un valor medio de entre 12 y 11 (gCO2eq / kWh) dependiendo de si se están evaluando las turbinas fuera o en tierra. En comparación con otras fuentes de energía bajas en carbono, las turbinas eólicas tienen el menor potencial de calentamiento global por unidad de energía eléctrica generada.

Si bien un parque eólico puede cubrir una gran extensión de terreno, muchos usos de la tierra, como la agricultura, son compatibles con él, ya que solo pequeñas áreas de cimientos e infraestructura de turbinas no están disponibles para su uso. Hay informes de mortalidad de aves y murciélagos en las turbinas eólicas, ya que existen alrededor de otras estructuras artificiales. La escala del impacto ecológico puede o no ser significativa, dependiendo de circunstancias específicas. La prevención y la mitigación de las muertes de vida silvestre y la protección de las turberas afectan la ubicación y el funcionamiento de las turbinas eólicas.

Las turbinas eólicas generan algo de ruido. A una distancia residencial de 300 metros (980 pies), esto puede ser de alrededor de 45 dB, que es un poco más fuerte que un refrigerador. A 1,5 km (1 mi) de distancia se vuelven inaudibles. Hay informes anecdóticos de efectos negativos para la salud del ruido en personas que viven muy cerca de las turbinas eólicas. La investigación revisada por pares generalmente no ha respaldado estos reclamos.

La Fuerza Aérea de los Estados Unidos y la Marina han expresado su preocupación de que el emplazamiento de grandes aerogeneradores cerca de las bases “impactará negativamente el radar hasta el punto de que los controladores de tráfico aéreo perderán la ubicación de las aeronaves”. Los aspectos estéticos de las turbinas eólicas y los cambios resultantes del paisaje visual son significativos. Los conflictos surgen especialmente en paisajes escénicos y protegidos del patrimonio.

Capacidad y producción de energía eólica

Capacidad y producción de energía eólica

En todo el mundo hay más de doscientos mil aerogeneradores en funcionamiento, con una capacidad nominal total de 432 GW a finales de 2015. Solo la Unión Europea superó la capacidad nominal de 100 GW en septiembre de 2012, mientras que Estados Unidos superó los 75 GW en 2015 y China la capacidad conectada a la red superó los 145 GW en 2015.

La capacidad de generación eólica mundial se cuadruplicó entre 2000 y 2006, duplicándose aproximadamente cada tres años. Los Estados Unidos fueron pioneros en parques eólicos y lideraron el mundo en capacidad instalada en la década de los ochenta y principios de los noventa. En 1997, la capacidad instalada en Alemania superó a la de Estados Unidos y la llevó nuevamente hasta Estados Unidos en 2008. China ha expandido rápidamente sus instalaciones eólicas a fines de la década de 2000 y pasó a Estados Unidos en 2010 para convertirse en el líder mundial. A partir de 2011, 83 países de todo el mundo utilizaban la energía eólica de forma comercial.

La capacidad de la energía eólica se ha expandido rápidamente a 336 GW en junio de 2014, y la producción de energía eólica fue de alrededor del 4% del uso total de energía eléctrica en todo el mundo, y está creciendo rápidamente. La cantidad real de energía eléctrica que el viento puede generar se calcula multiplicando la capacidad de la placa 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%.

Europa representó el 48% de la capacidad mundial total de generación de energía eólica en 2009. En 2010, España se convirtió en el primer productor europeo de energía eólica, alcanzando 42.976 GWh. Alemania ocupaba el primer puesto en Europa en términos de capacidad instalada, con un total de 27.215 MW al 31 de diciembre de 2010. En 2015, la energía eólica constituía el 15,6% de toda la capacidad de generación de energía instalada en la UE y genera alrededor del 11,4% de su potencia.

Factor de capacidad

Dado que la velocidad del viento no es constante, la producción anual de energía de un parque eólico nunca es tanto como la suma de las clasificaciones de la placa del generador que son multiplicadas por las horas totales producidas en un año. La relación entre la productividad real en un año y este máximo teórico se denomina factor de capacidad. Los factores de capacidad típicos son 15-50%; los valores en el extremo superior del rango se alcanzan en sitios favorables y se deben a mejoras en el diseño de la turbina eólica.

Los datos en línea están disponibles para algunas ubicaciones, y el factor de capacidad puede calcularse a partir de la producción anual. Por ejemplo, el factor de capacidad de potencia eólica promedio a nivel nacional en todo el año 2012 fue justo por debajo del 17.5% (45,867 GW · h / a / (29.9 GW × 24 × 366) = 0.1746), y el factor de capacidad para los parques eólicos escoceses promedió 24 % entre 2008 y 2010.

A diferencia de las plantas de generación de 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 barrida 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, dependiendo del tipo, podría estancarse a baja velocidad del viento. Por lo tanto, se buscaría un factor de capacidad óptimo de alrededor del 40-50%.

Variabilidad

La energía eléctrica generada a partir de la energía eólica puede ser muy variable en diferentes escalas de tiempo: por hora, por día o estacionalmente. La variación anual también existe, pero no es tan significativa. Debido a que la generación y el consumo eléctricos instantáneos deben permanecer en equilibrio para mantener la estabilidad de la red, esta variabilidad puede presentar desafíos sustanciales para incorporar grandes cantidades de la energía eólica en un sistema de redes.

La intermitencia y la naturaleza no despachable de la producción de energía eólica pueden aumentar los costos de regulación, reserva de operación incremental y (a altos niveles de penetración) podría requerir un aumento en la gestión de demanda de energía, desconexión de carga, soluciones de almacenamiento o interconexión de sistemas con HVDC ya existente cables. La variabilidad del viento es bastante diferente de la solar, el viento puede estar produciendo energía por la noche cuando otras plantas de carga base suelen producir en exceso.

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

La energía eólica es variable, y durante los períodos de poco viento debe ser reemplazada por otras fuentes de energía. Las redes de transmisión actualmente resuelven los cortes de otras plantas de generación y los cambios diarios en la demanda eléctrica, pero la variabilidad de las fuentes de energía intermitentes, como la eólica, es más frecuente que las de las plantas de generación de energía convencionales que, cuando están programadas para funcionar, pueden para entregar la capacidad de su placa de identificación alrededor del 95% del tiempo.

En la actualidad, los sistemas de grillas con gran penetración de viento requieren un pequeño aumento en la frecuencia de uso de las plantas generadoras de energía de giro natural para evitar la pérdida de energía eléctrica en caso de que no haya viento. A baja penetración de la energía eólica, este es un problema menor.

GE ha instalado un prototipo de turbina eólica con batería incorporada similar a la de un automóvil eléctrico, equivalente a 1 minuto de producción. A pesar de la pequeña capacidad, es suficiente para garantizar que la potencia de salida cumpla con la previsión durante 15 minutos, ya que la batería se utiliza para eliminar la diferencia en lugar de proporcionar una salida completa. En ciertos casos, la mayor previsibilidad se puede utilizar para tomar la penetración de la energía eólica de 20 a 30 o 40 por ciento. El costo de la batería se puede recuperar vendiendo potencia de ráfaga a demanda y reduciendo las necesidades de respaldo de las plantas de gas.

Almacenamiento de energía

Típicamente, 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 cae el viento, pueden, si tienen la capacidad de generación, aumentar rápidamente la producción para compensar. Esto proporciona una fuente de alimentación general uniforme y prácticamente no produce pérdida de energía y no usa más agua.

Alternativamente, cuando no se dispone de un cabezal de agua adecuado, la hidroelectricidad de bombeo u otras formas de almacenamiento de energía de red como el almacenamiento de energía de aire comprimido y el almacenamiento de energía térmica pueden almacenar energía desarrollada por períodos de vientos fuertes y liberarla cuando sea necesario. El tipo de almacenamiento necesario depende del nivel de penetración del viento: una penetración baja requiere un almacenamiento diario y una penetración alta 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 puede desplazarse para desplazar una mayor generación de costos durante los períodos de mayor demanda. Los ingresos potenciales de este arbitraje pueden compensar el costo y las pérdidas de almacenamiento. Por ejemplo, en el Reino Unido, la planta de almacenamiento por bombeo Dinorwig de 1.7 GW iguala los picos de demanda eléctrica y permite a los proveedores de carga base operar sus plantas de manera más eficiente.

Aunque los sistemas de energía de almacenamiento por bombeo son solo aproximadamente un 75% eficientes y tienen altos costos de instalación, sus bajos costos de operación y la capacidad de reducir la carga base eléctrica requerida pueden ahorrar tanto combustible como costos totales de generación eléctrica. En regiones geográficas particulares, las velocidades máximas del viento pueden no coincidir con la demanda máxima de energía eléctrica. En los estados de EE. UU. De California y Texas, por ejemplo, los días calurosos en verano pueden tener poca velocidad del viento y una gran demanda eléctrica debido al uso de aire acondicionado.

Algunas empresas subsidian la compra de bombas de calor geotérmicas por sus clientes, para reducir la demanda de energía eléctrica durante los meses de verano haciendo que el aire acondicionado sea hasta un 70% más eficiente. La adopción generalizada de esta tecnología correspondería mejor con la demanda de energía eólica en áreas con veranos calurosos y vientos de verano bajos. Una posible opción futura podría ser interconectar áreas geográficas ampliamente dispersas con una “superred” de HVDC. En los EE. UU.

Se estima que actualizar el sistema de transmisión para incorporar renovables planificadas o potenciales costaría al menos USD 60 mil millones, mientras que el valor de la sociedad de la energía eólica adicional sería mayor que ese costo.

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