Vea También
 |
| Photo by Jason Blackeye on Unsplash |
Limitaciones espaciales en la expansión a gran escala de las centrales eólicas
La energía eólica representará el 6,1% de la generación eléctrica mundial en 2020. Si esta cuota ha de crecer sustancialmente para descarbonizar los sistemas eléctricos, el tamaño de los futuros parques eólicos puede extenderse mucho más que el de las instalaciones actuales. La escala espacial de un parque eólico afecta tanto a su generación media por unidad de terreno como a la extensión de la sombra de la estela en las plantas vecinas. A medida que aumenta la escala espacial, la generación media disminuye y la extensión de la estela aumenta. Aquí caracterizamos las limitaciones espaciales en la expansión a gran escala de los parques eólicos para abordar lo siguiente 1) Qué tamaño puede tener un parque eólico antes de que su generación alcance los límites de reposición de energía, y 2) Qué distancia deben tener los grandes parques eólicos para evitar las interferencias entre ellos.
Cuando los aerogeneradores se disponen en grupos, su rendimiento se ve afectado mutuamente, y su generación de energía se reduce en relación con lo que sería si estuvieran muy separados. Las densidades de potencia de los parques eólicos pequeños pueden superar los 10 W/m2, y las estelas tienen varios diámetros de rotor. En cambio, los parques eólicos a gran escala tienen una densidad de potencia máxima del orden de 1 W/m2 y estelas que pueden extenderse varias decenas de kilómetros. Aquí abordamos dos cuestiones importantes: 1) ¿Qué tamaño puede tener un parque eólico antes de que su generación alcance los límites de reposición de energía y 2) ¿Qué distancia deben tener los grandes parques eólicos para evitar las interferencias entre ellos? Caracterizamos los controles en estas escalas espaciales y temporales realizando un conjunto de simulaciones atmosféricas idealizadas con el modelo Weather and Research Forecasting. La generación de energía y la velocidad del viento dentro y sobre el parque eólico muestran que una escala de tiempo inversamente proporcional al parámetro de Coriolis gobierna dicha transición, y la escala de longitud correspondiente se obtiene multiplicando la escala de tiempo por la velocidad del viento geostrófico. Un viento geostrófico de 8 m/s y un parámetro de Coriolis de 1,05 × 10-4 rad/s (latitud de ∼46°) daría una escala de transición de unos 30 km. Los parques eólicos más pequeños dan lugar a mayores densidades de potencia y a estelas más cortas. En cambio, los parques eólicos más grandes dan lugar a densidades de potencia que alcanzan asintóticamente su mínimo y a estelas que alcanzan su máxima extensión.
La optimización de la ubicación de las turbinas en un parque eólico puede aumentar significativamente la extracción de energía, pero sólo hasta que la instalación alcance un determinado tamaño, concluyen los investigadores estadounidenses. Esta es sólo una de las conclusiones de un estudio computacional sobre los efectos de las turbinas eólicas en el flujo de aire que las rodea y, por consiguiente, la capacidad de las turbinas cercanas -e incluso de los parques eólicos cercanos- para extraer energía de ese flujo de aire.
La energía eólica podría suministrar más de un tercio de la energía mundial en 2050, por lo que los investigadores esperan que su análisis ayude a diseñar mejor los parques eólicos.
Es bien sabido que la eficiencia de las turbinas de un parque eólico puede ser significativamente menor que la de una sola turbina por sí sola. Mientras que los pequeños parques eólicos pueden alcanzar una densidad de potencia superior a 10 W/m2, ésta puede descender hasta apenas 1 W/m2 en instalaciones muy grandes La primera ley de la termodinámica dicta que las turbinas deben reducir la energía del viento que las atraviesa. Sin embargo, las turbinas también inyectan turbulencias en el flujo, lo que puede dificultar la extracción de energía por parte de las turbinas situadas aguas abajo.
"La gente ya era consciente de estos problemas", dice Enrico Antonini, de la Carnegie Institution for Science de California, "pero nadie había definido lo que controla estos números".
Dinámica de fluidos
En la nueva investigación, Antonini y su colega Ken Caldeira utilizaron modelos de dinámica de fluidos para examinar el flujo de aire sobre las turbinas. Consideraron múltiples simulaciones idealizadas de parques eólicos pequeños y grandes.
En primer lugar, examinaron las estelas individuales de cada turbina, estudiando diferentes disposiciones. La reducción de la densidad de las turbinas en los parques eólicos pequeños proporcionó una mayor producción por turbina, pero también descubrieron que la disposición de las turbinas en filas frente al viento o en un patrón de mosaico proporcionó una producción de energía un 56% mayor que la disposición en columnas frente al viento. "Las ganancias en la generación de energía pueden ser de un 10, 20 o incluso un 30% si se tiene una disposición óptima de las turbinas con respecto a una disposición aleatoria, ya que se puede reducir la interacción de las estelas entre las turbinas", dice Antonini.
Sin embargo, estas ganancias desaparecen en gran medida cuando los parques eólicos crecen mucho. Para averiguar por qué, el dúo utilizó simulaciones meteorológicas de la velocidad del viento. Descubrieron que, mientras que en un parque eólico pequeño la principal causa de pérdida de rendimiento de un aerogenerador es la estela de sus vecinos cercanos, que puede mitigarse con un diseño cuidadoso, en un parque eólico grande la velocidad del viento en superficie se ve frenada por la mayor resistencia de esa región.
Vigilia uniforme
"En los grandes parques eólicos, hay un límite de reposición de energía del orden de 1 W/m2", dice Antonini. "[Las turbinas] crean una especie de estela uniforme en todo el parque eólico". Las estelas de estos grandes parques podrían extenderse decenas de kilómetros río abajo, afectando potencialmente a otros parques eólicos.
La transición entre un parque eólico en el que la disposición de las turbinas era un factor importante y otro en el que no lo era se producía cuando un parque alcanzaba unos 30 km de tamaño. Sin embargo, no había una línea divisoria clara entre los dos regímenes, y varios factores, como la velocidad del viento en la atmósfera superior y, curiosamente, la latitud del parque eólico, afectaban a los cálculos. Los parques eólicos más alejados del ecuador pudieron, en general, aumentar su tamaño antes de que la eficiencia se redujera al mínimo porque el efecto Coriolis causado por la rotación de la Tierra con respecto al parque eólico reponía la energía y el impulso del viento en la estela.
"A mi entender, eso es algo que nadie sabía", dice Antonini. Los investigadores están desarrollando este concepto para ayudar a los planificadores de sistemas energéticos a construir mejores parques eólicos para el futuro, dice Antonini.
Charles Meneveau, de la Universidad Johns Hopkins de Maryland, celebra la investigación. "En 2010, escribimos varios artículos sobre ese régimen de parque eólico infinito, e hicimos algunas simulaciones utilizando diferentes técnicas", dice; "Teníamos el presentimiento de que iba a haber un límite importante a tener en cuenta, pero en ese momento esa idea era muy controvertida. Esta [investigación] se lo toma más en serio y lo pone en una herramienta de modelización computacional que está bien establecida y ha sido bien probada, y realmente hace el trabajo de simular esas escalas de longitud". Concluye que "estamos hablando de construir instalaciones tan grandes con un cambio tan grande en nuestra infraestructura que, teniendo en cuenta la escala del asunto, esto es realmente importante".
Fuentes, créditos y referencias:
La investigación se describe en Proceedings of the National Academy of Sciences.
Creditos a Physicsworld