El mundo consume 45 Peta Vatios hora de petróleo anuales. Puede la eólica competir con estos órdenes de magnitud?.
Los avances de los últimos 10 años han reducido el precio de la energía eólica a la mitad. Qué nuevos avances se esperan?.
Tanto la pequeña escala como las grandes granjas eólicas jugarán un papel y presentan numerosas oportunidades.
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Lo primero que quiero transmitirles es la escla del problema. El mundo consume cada año unos \(45 PWh\) de petróleo. Pero eso ¿qué significa? Quiero que entiendan lo dramático de este número. Ese edificio es el Westin Libertador en Lima (... [?] ... ). En cualquier caso, un edificio de unos 120m. ¿Cómo se compara con el volumen de petróleo consumido? Cada año consumimos una milla cúbica de petróleo (Cubic Mile of Oil, CMO). Es decir 1600m x 1600m x 1600m lleno de petróleo. Pero eso no es lo peor. Consumimos otro cubo y medio de carbón y gas (1.4 CMO). Y finalmente en partes parecidas Biomasa (0.19 CMO), Hydroeléctrica (0.17 CMO) y Nuclear (0.15 CMO). Veamos por ejemplo la energía hidráulica que produce Perú. Unos \(20 TWh\) de energía. ¿Cómo se compara? Pués resulta ser un tamaño parecido al edificio del principio. Un cubo de 180m. Pero los volúmenes engañan. Haría falta producir con toda la potencia hidráulica actual de Perú durante 2200 años para rellenar un sólo cubo de petróleo. Es decir, generar desde la cultura Nazca hasta hoy. y Puf! Quemarlo en un año. Este es el desafío de las renovables.
Recapitulemos en 2 dimensiones, esta vez comparando con la eólica. Hay unos 600,000 aerogeneradores pequeños (de menos de 100kW) instalados por el mundo. Aerogeneradores domésticos, industriales, en granjas, etc. Y generaron el año pasado unos 300 GWh. Como una central nuclear funcionando 20 días, que no está mal. Pero la mayor contribución eólica viene de los parques eólicos grandes. Esta ya es una energía industrial que puede proporcionar entre 15% - 30% de la generación eléctrica de un país [como en España (17%) ó en Dinamarca (28%)]. Incluso algunos días del año pasado la eólica generó más del 50% de la electricidad Española. Pero volviendo a comparar con el petróleo se queda pequeño. Por ejemplo, con la base de datos de Vestas yo sumé cuánta energía han producido todos sus aerogeneradores durante los últimos 30 años. 30 años de historia, instalaciones, proyectos ... han sumado 0.4PWh aproximadamente. media centésima del combustible fósil anual (contando con el Gas y el Carbón). Con esto quiero darles una idea de la enormidad del problema. ¿Cómo vamos a sustituir esta energía?
Cuándo tomé consciencia por primera vez de la magnitud del problema pensé apaga y vamonos. Pero hoy les voy a enseñar que en este desafío hay grandes oportunidades.
Primero. Afortunadamente, las estimaciones del potencial eólico global varían entre 100 y 1000 PWh (La variabilidad de las estimaciones es muy grande debido a las diversas metodologías de estimación) [Lu,McElroy 2009, UD-Archer Article 2012, TOD Article Review, Jacobson-Archer (2012)] con lo que hay suficiente viento, al menos en teoría. Pero, ¿Cómo capturamos este potencial? Y, ¿cuál es el coste de este cambio?
La única manera de conseguirlo es primero ser más eficientes. Pero en eólica es continuar el espectacular crecimiento actual. Pese a la crísis financiera los Megavatios de eólica instalada siguen doblando cada 4 años, y en 2011 se instaló lo mismo que en los 10 años marcados aqui (en gran parte gracias a China, el país lider en instalación de MW). Si continuamos con este esfuerzo en 2040 se podría generar una cantidad similar al petróleo. Pero cuánto cuesta este crecimiento? Cada año el mundo quema \(2.5 \times 10^{12} $\) (2.5$ Trillion) nada más que para pagar el crudo (equivalente al PIB de Inglaterra). Este año sin embargo los humanos hemos invertido 3% de ese valor ($95bn = \(95\times 10^9\)) en Eólica que producirá electricidad durante 25 años. Pero la mejor manera de comparar es el coste de producir cada kWh a lo largo de la vida de la máquina ó la instalación. [ levelized cost of energy, NREL LCE] Y aqui también hay esperanza. En Alemania por ejemplo la eólica industrial ya se produce por entre €0.06/kWh y €0.08/kWh según el viento, quedando muy cerca de la paridad de red [Grid Parity]. Aún así falta al menos un 20% - 30% de reducción para poder competir con el carbón. ¿Cómo lo conseguimos?
De momento vamos por buen camino. El precio ha bajando en un 14% desde los 80. Y Aunque se saturó en Europa hace 10 años, los Chinos e Indios están reduciendo los precios aún más (desde €0.20/kWh (1984) hasta €0.05/kWh (2011)).
Magnitudes aproximadas:
\((1 \; \mathtt{CMO} = 1.6 km^3 \mathtt{de\; petróleo}= 44
\times 10^{12} kWh)\).
Perú generó unos \(35 \times
10^9 kWh\) de electricidad en el 2010, 60% de los cuales
provenían de la hidráulica.
Harían falta
\(\frac{44}{20}\times 10^3 \approx \) 2200 años de hidáulica
Peruana para producir 1 solo año de consumo petrolífero
mundial.
El cubo equivalente en petróleo de la
producción hidráulica peruana mide aproximadamente:
$$\frac{20 \times 10^9 kWh \times 1 mi^3 }{44 \times 10^{12}
kWh} \approx 4.5 \times 10^{-4} mi^3 $$ Es decir un cubo con
una arista de 186m (Un poco más que el Westin Libertador del
video).
Hay grán número de tecnologías que se están explorando en este momento (materiales, simulación, control, procesos de producción, automatización, monitorización inteligente de daños, alerones para palas, protección contra el hielo y los rayos, y un largo etcetera). Pero me centraré en 3 aspectos que creo que son innovadores e importantes.
Puede parecer una trivialidad que hace falta más viento. Pero es importante subrayar el impacto que tiene. Más que altas velocidades lo que hace falta es certeza. Dejenmé ilustrarlo con un ejemplo simplificado. Digamos que hemos encontrado un lugar excelente con 9m/s de velocidad media. Fantástico, compramos las máquinas más caras y nuestros cálculos nos indican que recuperaremos la inversión en 7.5 años. Pero ahora resulta que hay que cambiar el lugar. Tiene que ser 4 colinas más atrás, con un pequeño valle de por medio, unos árboles y demás. Aceptamos ... pero resulta que allí el viento es 7m/s. ¿En cuánto recuperaremos la inversión? Más ó menos en \( \left\{ \frac{7^3}{9^3} \times \frac{1}{7.5} \right\}^{-1} \approx 15.9 \) años y si realmente hemos cometido un error y son 6m/s? \( \left\{ \frac{6^3}{9^3} \times \frac{1}{7.5} \right\}^{-1} \approx 19.9\) años. Fijensé que un simple 33% de diferencia en la velocidad resulta en un 260% de diferencia en producción energética. Es sorprendente el número de proyectos que aún hoy en día miden el viento en invierno (digamos esos 7m/s) y se dan por satisfechos (olvidando que la media con un verano con poco viento puede cambiar la rentabilidad del proyecto). Esto pasa normalmente cuando se premia por MW instalado en vez de por kWh producido (lo recomendable es medir entre 1 y 2 años el viento en el lugar elegido antes de tomar la decisión).
¿Cómo ayuda la tecnología a traer certeza en el viento? Tal vez les sorprenda pero algunos de los ordenadores más potentes que hacen climatología y computación de fluidos están en empresas de eólica ó eléctricas. Encontrar lugares con recurso eólico y optimizar las posiciones de los aerogeneradores son problemas muy complejos que pueden costar cientos de millones de euros si se hacen incorrectamente. También modelos adecuados de turbulencia permiten ganar en rendimiento. Esa foto es en Horns Rev, una planta Danesa ... que tuvo casualmente un día en el que la temperatura, humedad y presión, crearon esa condensación detrás de la primera fila ilustrando cómo se puede perder energía y crear turbulencia si no se intercalan bien las filas. Otro avance tecnológico es el uso del láser para medir el viento. Un láser sobre la góndola rebota en las partículas de polvo del viento y nos dice: gira un poco a la derecha que el viento está cambiando, ó el viento trae muchas ráfagas y conviene frenar. Ahí se ve uno de los prototipos de Catch The Wind y yo mismo instalando un prototipo de otra empresa.
El segundo ámbito es el que recibe más atención en la industria. Abaratar costes reduciendo el peso. Y aunque parezca contradictorio lleva a aerogeneradores cada vez más enormes y pesados. ¿Porqué? Si tenemos un aerogenerador con palas de Radio = \(R_0\) con \(P_0 \mathtt{MW}\) de potencia y queremos aumentar esa potencia. Podríamos incrementar el tamaño de las palas un rádio $r$. Con ello la potencia capturada se convierte en:
Es decir, que si a una pala de 20m le añadimos 10 m, aumentamos la potencia en un 225% ( \( 1+20/20+100/400 = 2.25 \)). Es como añadir una turbina y un cuarto de otra. Pero no hacen falta dos torres ni dos generadores, ni 3 palas nuevas. Por la ley de las áreas (Potencia ~ Area ~ \(\mathtt{Radio}^2\)) resulta más rentable aumentar el rádio de las palas que instalar más aerogeneradores de igual tamaño. Esto ha llegado a palas ya de 60m instaladas y palas de 80m en desarrollo (Vestas V164). Estos tamaños requieren más uso de fibra de carbono, torres y generadores con cargas más optimas, nuevos diseños estructurales e inovaciones en los procesos industriales de fabricación.
Pero la reducción de peso no sólo ocurre a gran escala. Por ejemplo con el aerogenerdor de eje vertical q5 de quiet revolution han podido aligerar el diseño. La forma espiral de las palas reduce vibraciones y permite usar un eje más ligero.
(un problema tradicional de las VAWT (Vertial Axis Wind Turbines) son las vibraciones creadas por la entrada y salida de las palas en contra y a favor del viento. Con estudios de dinámica de fluidos se han podido establecer las ventajas de las palas en espiral que distribuyen las cargas mejor reduciendo al vibración).Finalmente una innovación radical y reciente para reducir peso ... es la eólica de grán altura. En este caso se trata de eliminar la torre y la góndola por completo. Con el beneficio añadido de que cuánto más alto más fuerte y constante es el viento. El viento transmite la mayor parte de su fuerza al exterior de las palas (más rápidas y por tanto con más "lift"). Así que han mantenido sólo esa parte con un pequeño avión dejando que el viento lo haga rotar. (ver imágen, Makani Aerogeneradores de gran Altitud [Makani en Vimeo] ). El cable está allí para traer la electricidad de las hélices a la tierra. Finalmente otro concepto es usar una cometa y dejar el generador en tierra.
Cualquier proyecto de energía a gran escala (para 7000 millones de habitantes) tiene consecuencias negativas. Por ello, si la eólica va a crecer mucho más tiene que empezar a pensar en su impacto desde el principio. Un caso fácil de mitigar con los avances tecnológicos son las colisiones con pájaros y murciélagos. Aunque el impacto es mínimo comparado con el impacto de edificios, coches ó cristales aumentará con el número de aerogeneradores. Una solución parcial son radares que avisan en época migratoria cuándo aparecen bandadas de aves. el tamaño y precio de éstos se está reduciendo rápidamente.
El siguiente avance tiene que ver con materiales sostenibles. Los aerogeneradores grandes están compuestos al 75% - 85% de acero. Así que esa parte es fácil de reciclar. Luego hay lubricantes, electrónica, y otros metales. Si se hace de manera responsable también se pueden recuperar y separar los residuos. Pero entre el 10% - 15% son resíduos complicados (las palas). Son resinas termoestables (Epoxy) con fibra de vidrio ó de carbono de difícil reutilización. Como en cualquier problema de reciclaje lo mejor es no utilizar los materiales conflictivos y hay investigación en holanda para usar termoplásticos en vez de epoxy que se pueda fundir y reutilizar más fácilmente [RP Article, S.Joncas Thesis ]. Aún así los residuos originarios de aerogeneradores retirados ó viejos son bastante pequeños comparados con los residuos urbanos. Si tomamos el ejemplo de Vestas con unos 40,000 aerogeneradores instalados y nos preguntamos cuánto residuo generarán en 10 años todos los generadores viejos no es mucho. El residuo que no es acero en 2023 será aproximadamente el mismo peso de residuo que genera el reino unido en media hora. [link from poster, upload poster]. Pero si sigue el crecimiento exponencial hay que pensar en este reciclaje y estos materiales sostenibles desde el principio.
Más viento, Más ligero, Más responsable.
¿Qué podemos hacer nosotros? En el próximo par de años la industria de fabricación de aerogeneradores va a estar en crísis. No veo grán oportunidad de trabajo. Los grandes Europeos y Americanos como Siemens, General Electric, Vestas, Gamesa están efectuando recortes de personal en casi todos los sitios. Incluso las empresas Chinas (Goldwing, Dongfang, ..) y Japonesas (Mitsubishi) han frenado su progreso. Por ello yo diría que si les interesa trabajar en el área de la energía eólica las oportunidades no están en los grándes fabricantes (durante unos años). Por comparación la eólica pequeña ha experimentado un 25% de crecimiento en los últimos 3 años y presenta grandes oportunidades. Además existen fabricantes locales (por ejemplo Waira en Perú). Otro área con grandes oportunidades son todas las areas y disciplinas que se unen para la manutención y optimización de parques existentes y nuevos parques.