L’èxit del vent

En els darrers trenta anys, l’energia eòlica ha estat protagonista d’un gran esforç en recerca, tot i que els primers aerogeneradors moderns els podem trobar a la dècada dels quaranta del segle xx. Aquest article ofereix una breu descripció de l’origen i l’evolució experimentada en tecnologia d’energia eòlica en els aspectes de disseny de la turbina, avaluació de recursos, integració en xarxa i el medi ambient, a més d’aventurar el futur de l’R+D en aquest àmbit.

La generació eòlica fa temps que ha deixat de ser una anècdota. Lluny d’això, aporta percentatges considerables del mix elèctric en molts països. És la més rendible i eficient de les formes de captació renovable. Els inconvenients visuals o ambientals que pugui presentar són menors comparats amb la producció elèctrica independent i lliure d’emissions que comporta. De fet, l’aprofitament energètic del vent compta amb una llarga trajectòria. Sense vent no hi hauria hagut navegació a vela, ni molins elevadors d’aigua o per a moldre gra. Tanmateix, els moderns aerogeneradors, bé que descendents d’aquells estris, són tecnològicament tota una altra cosa.

La contumaç resiliència del vent

El disseny d’un parc eòlic és una feina detallada i precisa. Fa prop de deu anys estàvem acostumats a veure que, en els emplaçaments mediterranis, existia una direcció predominant o bé dues direc­cions predominants de vent oposades. Aquesta distribució de vents en direcció ens permetia fer dissenys de parcs eòlics molt compactes.

Un dia, mentre tractàvem dades de l’emplaçament d’un parc eòlic a Turquia, la coordinadora del grup de disseny es va mostrar sorpresa: «Tenim dues direccions predominants de vent a noranta graus, primer ho hauríem de verificar… ens complica molt la feina.» Vaig contestar-li: «No cal que ho verifiquis, surt a La Ilíada!»:

Els troians feien la guàrdia; per contra, el Pànic que mata envaïa els d’Acaia, company de la Fuga que glaça, amb els seus pròcers, que a tots els feria un dolor insuportable. No altrament que els dos vents que el mar ple de peixos remouen, el del nord i el de ponent, que bufen des de la Tràcia tot alçant-se de sobte, amb l’embat les fosques onades s’encrespen i algues a dojo esbargeixen arreu de la platja, doncs així dins els pits els cors dels aqueus s’esquinçaven.

Homer, La Ilíada. Inici del Cant ix

Estàvem analitzant dades de vent de prop de Troia i per casualitat estava llegint La Ilíada. Homer, fa tres mil anys esmentava les direccions de vent perpendiculars. És una bella imatge del caràcter perdurable de les energies renovables.

«L’aprofitament energètic del vent compta amb una llarga trajectòria. Sense vent no hi hauria hagut navegació a vela, ni molins elevadors d’aigua o per a moldre gra»

La tecnologia eòlica

L’energia eòlica ha centrat l’activitat de recerca de milers de persones arreu del món, i principalment a Europa, en els darrers trenta anys. Aquesta activitat s’ha centrat en diferents àmbits, a part del concret desenvolupament de les màquines de conversió: l’avaluació de recursos, la integració en la xarxa elèctrica, la predicció, la integració en l’entorn, etc. Aquesta evolució tecnològica ha transcorregut en simbiosi amb una indústria que ha protagonitzat l’entrada de la primera energia renovable dins l’anomenat mix energètic.

Així, l’energia eòlica representa el 26% de l’energia elèctrica consumida a Dinamarca, el 15% de la consumida a Espanya, o el 8% de la consumida a Alemanya al 2010 (EWEA, 2011). Si bé Alemanya, Espanya i Dinamarca han aconseguit una posició predominant, també és cert que aquesta tendència està canviant. Mentre al 2002 aquests tres països acumulaven quasi el 90% de les instal·lacions europees, al 2010 ja només representaven poc més del 35%. A escala mundial, el canvi també era palès al 2010: la República Popular de Xina instal·là prop del doble d’eòlica que Europa.

L’avaluació de recursos eòlics

La potència que conté qualsevol fluid en moviment és proporcional al cub de la velocitat. Aquest fet físic fa que l’aprofitament del vent sigui extremament sensible a la velocitat i requereix disposar d’informació del vent amb una elevada precisió. Per exemple, tenir una precisió d’un 10% en la producció d’una instal·lació eòlica exigeix una precisió del 3% de la velocitat del vent a l’emplaçament. Aquesta extrema sensibilitat ha portat a l’evolució de metodologies, amb un esforç important d’R+D.

La forma més precisa d’avaluar la velocitat del vent en un emplaçament és col·locar un anemòmetre al punt exacte en què es desitja saber la velocitat, durant un temps prou llarg per ser representatiu dels efectes meteorològics locals, generalment un any. Mesures d’un període més llarg, en un lloc proper al que avaluem, fiables i amb un període simultani per poder correlacionar les dades que tenim d’un any permeten tenir en compte els efectes interanuals.

El primer tipus d’eina que es va elaborar per a l’avaluació d’emplaçaments es basava en l’ús de les dades d’una campanya de mesures en un punt concret i mitjançant un model del terreny (meso/microescalar) i una simulació simplificada del flux de l’aire, establir un suposat vent geostròfic que, tot seguit, mitjançant el mateix model de terreny i simulació de flux, es transporta a qualsevol altre punt proper del terreny. WAsP, des­envolupada pel Risoe de Dinamarca a començament dels anys noranta del segle passat, és l’eina pionera en aquesta metodologia (DTU, 2011).

Una altra metodologia usada en l’avaluació del recurs eòlic és la dinàmica de fluids computacional (CFD). És una eina més precisa, que requereix, però, una definició de les condicions de contorn de la simulació. Aquestes són difícils d’establir en el cas de l’atmosfera.

Paral·lelament s’han fet, amb molt d’èxit, diverses plataformes de predicció meteorològica a gran escala que proporcionen resultats accessibles per via informàtica. Aquestes sèries temporals de predicció es converteixen en vertaderes fonts de dades a llarg termini amb les quals aplicar les metodologies abans esmentades. Aquesta metodologia representa variacions temporals de llarg termini i proporciona dades de velocitats màximes més fiables que les provinents de mesures locals. Diversos equips han desenvolupat aquest tipus d’eines, les més properes són les de Vortex i Meteosim.

Evolució de les dimensions dels aerogeneradors des de 1984 fins a l’actualitat. Augmentant les dimensions (i la potència) s’aconsegueix reduir el nombre d’aerogeneradors d’un parc eòlic i, doncs, la superfície total ocupada.

La construcció dels aerogeneradors

Si bé el primer aerogenerador connectat a la xarxa elèctrica va instal·lar-se a Balaklava al 1931 i va funcionar durant deu anys, el primer de disseny modern va ser el Smith-Putnam. Es va instal·lar l’any 1941 a Vermont, amb molts problemes tècnics, i va tenir un temps d’operació molt curt. L’any 1957, Johannes Juul, alumne del visionari Paul Lacour, instal·là a Gedser, al sud de Dinamarca, un aerogenerador per produir electricitat que va ser el precursor de la tecnologia danesa; va funcionar de manera ininterrompuda durant una dècada, cosa que suposà un rècord de grandària i fiabilitat.

Malgrat que aquests primers passos van ser valuoses demostracions de la viabilitat de l’energia eòlica i de la capacitat de transformació en electricitat, no va ser fins als anys setanta del segle passat, com a conseqüència de la primera crisi del petroli, que es llançà una producció industrial en sèrie de màquines per a transformar vent en energia elèctrica. Des d’aquesta fita l’energia eòlica s’ha convertit en un sector industrial, i progressivament apareix com una font d’energia més dins del ventall de solucions per al proveïment energètic. L’evolució de la tecnologia, tant en el disseny del producte com en els processos de fabricació, ha augmentat l’eficiència dels aerogeneradors fins al nivell actual.

Els aerogeneradors són màquines que amb el rotor absorbeixen l’energia cinètica del vent i disposen d’un sistema que converteix en electricitat aquesta energia capturada del corrent d’aire. L’eficiència econòmica es basa a produir el màxim d’energia i reduir, al màxim, la quantitat de materials necessària per a aquesta producció. El resultat de millorar aquesta relació entre la generació respecte als materials aconsegueix la reducció del cost de l’energia generada.

Si bé la funció dels aerogeneradors és la collita de l’energia present en el vent, han de complir una sèrie de requeriments tècnics perquè siguin viables. En primer lloc, cal que suportin qualsevol condició meteorològica durant la seva vida operativa; això inclou velocitats de vent extremes que es produeixen en condicions especials. En segon lloc, també cal que suportin qualsevol condició elèctrica des de la xarxa elèctrica a la qual estan connectats, incloent-hi situacions excepcionals de curtcircuit i manca de subministrament. En tercer lloc, els aerogeneradors han de ser segurs estructuralment, cosa que implica tolerància a fallides en els sistemes de l’aerogenerador. I, per últim, cal que mantinguin uns nivells de soroll limitats en qualsevol condició d’operació.

Aquests requeriments comporten un conjunt de càrregues en l’estructura, motiu pel qual l’evolució tecnològica d’aquesta s’ha focalitzat en diversos aspectes per tal d’aconseguir aquests objectius. En primer lloc, a reduir les càrregues que apareixen en l’estructura mitjançant la incorporació de més i més intel·ligència a les capacitats i operació dels aerogeneradors: capacitat de procés en els seus sistemes de control, actuadors que alleugen les forces que el vent provoca i que eviten situacions extremes. En segon lloc, en una millora de les estructures de l’aerogenerador per fer-les més eficients a l’hora de suportar les càrregues. Això inclou el disseny de perfils aerodinàmics específics per als aerogeneradors, més gruixuts i amb una eficiència millor per a alts valors de sustentació. Cal també optimitzar la generació d’energia tot millorant-ne la captura, augmentant la superfície del rotor per unitat de potència, disposant de pales més eficients i de sistemes de control que permeten adaptar-se a les diferents condicions d’operació. Altres punts en què s’ha centrat la investigació és a mantenir una velocitat de l’extrem de la pala reduïda i millorar-ne la forma per reduir el soroll generat, augmentar la grandària dels aerogeneradors per reduir-ne el nombre i ocupar menys espai i a millorar la fiabilitat dels aerogeneradors i reduir les necessitats de manteniment.

Així, en els darrers trenta anys, la reducció de les càrregues dels aerogeneradors i del cost de l’energia produïda han anat del bracet. Paral·lelament, la grandària dels aerogeneradors ha crescut fins a les mesures actuals, en què les limitacions principals han deixat de ser tècniques per ser logístiques.

«A partir de 2012 apareixerà una nova generació d’aerogeneradors de grans dimensions, orientats exclusivament a l’ús marí: uns 150 metres de diàmetre de rotor i potències per sobre dels 5 megawatts»

Els aerogeneradors i l’entorn

Vivim en societats dependents del subministrament energètic exterior, basat en els combustibles fòssils. La societat té actualment una necessitat creixent d’autonomia energètica. Aquesta autonomia pot plantejar-se a diferents nivells: individual, local, regional, estatal o europeu. El més important és tenir en compte la sostenibilitat i els riscos associats a la falta d’autonomia. Pel que fa a la reducció de la dependència energètica, l’energia eòlica, per estar més avançada, representa, en relació a les altres energies renovables, un paper molt rellevant. Com totes les activitats humanes, l’energia eòlica té un impacte associat, en aquest cas –com ocorre en general amb les energies renovables– l’impacte és reversible i s’aplica sobre la mateixa generació que gaudeix dels avantatges.

En l’entorn social, un altre efecte important és la generació d’ocupació. Al 2008 i segons l’Associació de Productors d’Energies Renovables (APPA, 2010), al voltant de 40.000 persones treballaven a Espanya en el sector eòlic, la meitat de manera directa i l’altra meitat indirectament. A Europa, al 2009, treballaven directament en energia eòlica 200.000 persones. L’impacte sobre la fauna sovint es converteix en el factor més mediàtic i apareix com el gran perill de l’energia eòlica. Actualment hi ha un elevat coneixement sobre el tema, molt especialment sobre els ocells rapinyaires i la seva relació amb els aerogeneradors. Es coneixen els llocs de nidificació, les seves rutes i com reaccionen envers els aerogeneradors, la qual cosa ha permès reduir considerablement aquest impacte negatiu.

Potser el principal efecte ambiental de l’energia eòlica és el visual. És, de fet, l’element que més restringeix el desenvolupament de l’energia eòlica i el que, en general, mou més opinió en les fases de desenvolupament de les instal·lacions. Els aerogeneradors, que són màquines grans, es perceben com elements nous en un paisatge on tots els efectes humans s’han anat integrant al llarg del temps. La principal contradicció, en terrenys orogràficament complicats, és la visibilitat dels emplaçaments que estan exposats al vent. Com s’ha comentat anteriorment, la sensibilitat de la producció d’energia a la velocitat del vent és extraordinària. Això fa pràcticament impossible que les instal·lacions eòliques es puguin incorporar a espais ja aprofitats per a altres usos industrials.

En un altre ordre de coses, el nivell sonor dels aerogeneradors és actualment força baix i no produeixen tons o sons purs. L’emissió acústica dels aerogeneradors és el soroll aerodinàmic de les pales; a una distància d’uns 500 metres és molt difícil de discernir del soroll ambiental.

La integració eòlica a la xarxa elèctrica

El sistema elèctric espanyol és un sistema extremament aïllat. Amb el desenvolupament de l’energia eòlica, des dels anys noranta del segle passat, aquesta ha esdevingut una part important del sistema. Espanya arriba amb seguretat a dies amb una aportació eòlica propera al 50% de l’energia elèctrica generada. Els darrers deu anys han testimoniat una evolució tecnològica i organitzativa que ha fet possible la integració de les renovables en el sistema elèctric espanyol fins a un nivell pioner a escala mundial. En aquesta evolució, Red Eléctrica de España (REE) ha tingut un paper clar i de lideratge, i hi ha col·laborat un seguit d’empreses aplegades en l’Asociación Empresarial Eólica (AEE). En aquest entorn s’han organitzat accions adreçades a solucionar diversos punts. En primer lloc, assegurar que els aerogeneradors s’adaptin a la forma d’operar de la xarxa i continuïn funcionant davant les situacions excepcionals de fallides en el sistema elèctric. També se cerca disposar d’un sistema de predicció fiable de la producció d’energia eòlica que permeti, amb temps suficient, prendre decisions necessàries per gestionar la xarxa elèctrica. Un altre punt al voltant del qual s’ha treballat és obrir la xarxa de transport elèctric en multitud de punts per facilitar la introducció de l’energia generada en un sistema que permet el balanç energètic més global possible. Altres accions han estat reforçar les línies de transport per permetre els fluxos d’energia modificats per la instal·lació de les energies renovables, crear una organització de «despatxos delegats» que serveixin per controlar en situacions crítiques la introducció d’energies renovables en el sistema elèctric i, finalment, gestionar apropiadament els limitats recursos d’emmagatzemament (bombament hidràulic) i les interconnexions esparses.

Des del punt de vista del carrer, es veu com un fet normal que s’assoleixin uns nombres fabulosos d’integració de les energies renovables en el sistema elèctric, però sens dubte és un gran i singular desafiament tecnològic que s’ha aconseguit amb la col·laboració de molts esforços i amb una feina d’R+D considerable. REE està exportant aquest coneixement de manera activa i lidera un dels principals projectes europeus d’integració de les energies renovables en la xarxa elèctrica (TWENTIES).

El mar, la nova frontera

Dinamarca i Alemanya són països capdavanters en energies renovables i han estat els primers a aprofitar els seus mars per a la instal·lació de l’energia eòlica, també coneguda com energia eòlica offshore. Ja fa anys que els aerogeneradors s’estan instal·lant sobre fonaments suportats al fons del mar poc profund del litoral d’aquests països. A pocs quilòmetres davant de la costa de Copenhagen hi ha potser el més emblemàtic, perfectament visible des de la ciutat, una filera de grans aerogeneradors en una corba perfecta.

La instal·lació de captadors eòlics en l’entorn marí té fins ara un cost superior que en terra ferma, però a la mar del Nord, amb velocitats de vent molt elevades, la producció d’energia és molt més gran que a l’interior continental. Els aerogeneradors al mar tenen menys limitacions visuals i de soroll i poden ser més grans, perquè no hi ha limitacions logístiques. Però han de ser molt més fiables, perquè durant períodes relativament llargs serà impossible arribar-hi per fer-hi qualsevol reparació.

Fins ara, els aerogeneradors marins eren variacions del mateix concepte que els que hi havia en terra ferma. A partir de 2012 apareixerà una nova generació d’aerogeneradors de grans dimensions, orientats exclusivament a l’ús marí: uns 150 metres de diàmetre de rotor i potències per sobre dels 5 megawatts. Els països de la mar del Nord han llençat per als propers anys programes molt ambiciosos, de desenes de gigawats, que comportaran el desenvolupament d’un nou teixit industrial de gran importància econòmica. Aquests programes comprenen infraestructures elèctriques d’interconnexió d’aquestes instal·lacions.

Cal esmentar que a la costa de Noruega existeix un únic aerogenerador flotant en un emplaçament de 200 m de profunditat (HYWIND). Encara és un projecte car, però és el primer pas. Els aerogeneradors deixaran la superfície del fons marí d’emplaçaments poc profunds per estendre’s per la superfície del mar.

La ruta de l’R+D: amb l’experiència, mirar endavant

Al 2008, l’European Wind Energy Tecnology Platform (TPWIND) va definir en un extens document (TPWIND, 2009) les principals línies d’R+D per al futur desenvolupament de l’energia eòlica. TPWIND agrupa més d’un centenar d’experts repartits en diferents grups de treball (recurs eòlic, aerogeneradors, xarxa elèctrica i instal·lacions marines) i revisa periòdicament la implantació i actualització d’aquesta agenda. Europa continua tenint un clar lideratge tecnològic en energia eòlica, però tant als EUA com a la Xina s’estan dedicant grans esforços als programes d’R+D.

L’aprofitament eòlic, hereu d’un gran passat, és ben a prop d’assolir un cost competitiu amb altres fonts d’energia. S’aprofitarà de la transparència en l’avaluació de costos de totes les fonts i del desenvolupament d’una estratègia de subministrament local i sostenible. A la vegada, amplia les seves possibilitats d’implantació en diferents entorns (baixes velocitats de vent, el mar, emplaçaments profunds). En el món divers en què vivim, continua creixent i, per tant, es presenta amb un gran futur. La generació eòlica no ha fet més que començar.

Bibliografia
APPA, 2010. Estudio del impacto macroeconómico de las energías renovables en España. Asociación de Productores de Energías Renovables. Madrid.
DTU, 2011. WAsP, Wind Atlas Analysis and Application Program. Danmark Tekniske Universitet. Roskilde.
EWEA, 2011. Wind Energy Targets for 2020 and 2030. European Wind Energy Association. Brussel·les.
Homer, 1996. La Ilíada. Trad. de Manuel Balasch i Recort. Proa. Barcelona.
TPWIND, 2009. Strategic Research Agenda. European Wind Energy Technology Platform. Brusel·les.

Pep Prats i Mustarós. Vicepresident de Tecnologies Avançades. Alstom Wind. Membre del comitè executiu de la Plataforma Tecnològica Europea d’Energia Eòlica (TPWIND).
© Mètode 73, Primavera 2012.