Los vientos del cambio: energía minieólica y generación distribuida

El proyecto TURBEC, desarrollado por las empresas alavesas ARGOLABE INGENIERÍA y DEL VALLE AGUAYO, ha aportado una solución eólica para la generación eléctrica distribuida, cubriendo el vacío tecnológico existente entre los pequeños aerogeneradores domésticos (microeólica) y los grandes aerogeneradores (gran eólica)

Debido a la gran dependencia de la economía global de los combustibles fósiles y su alto impacto en el medioambiente, se está poniendo cada vez más atención a los métodos alternativos de generación eléctrica. En esta tendencia hacia la diversificación del mercado energético, el potencial del viento es probablemente el recurso energético más sostenible y prometedor. El viento es un recurso limpio e inagotable disponible en todo el planeta. Los progresos de las últimas décadas en la tecnología eólica, han permitido reducir los niveles de coste hasta hacerla competitiva con los métodos convencionales de generación eléctrica. Por todo esto, el número de aerogeneradores instalados por todo el mundo aumenta significativamente año tras año.

La tendencia de los últimos años ha sido la instalación de aerogeneradores cada más grandes y potentes (Potencias de varios MW). Estas grandes máquinas se instalan en grupo creando grandes parque eólicos, siguiendo el concepto tradicional de núcleos localizados de generación eléctrica (centrales térmicas, nucleares, grandes instalaciones hidroeléctricas, etc).

Este concepto de producción eléctrica masiva y localizada presenta dos grandes inconvenientes; el primero es el elevado impacto medioambiental que provoca en el entorno, y el segundo son las enormes pérdidas de energía que se derivan del transporte de la misma, a través de las líneas de alta tensión, hacia los puntos de consumo.

Los sistemas eléctricos de energía se descomponen en tres componentes principales: generación, red de transporte (alta tensión) y red de distribución (media y baja tensión). La red de transporte une la generación con las subestaciones de distribución, que proporcionan la alimentación a los usuarios a través de la red de distribución. Las interrupciones en esta conexión pueden producir cortes del flujo de potencia desde los centros de generación hacia los consumidores.

Durante los últimos años, el incremento de la demanda de energía ha sido atendido mediante el crecimiento de la oferta de energía centralizada en grandes centros generadores. Esto produce una sobreexplotación de la red de transporte de energía de alta tensión que conlleva una merma en la disponibilidad de la electricidad por un incremento de los cortes o desconexiones.

Por todo esto, se empieza a producir un cambio de tendencia a nivel mundial hacia la generación eléctrica distribuida, deslocalizada en pequeños puntos de producción cerca del lugar de consumo. La generación distribuida está asociada al término autoconsumo eléctrico. El autoconsumo, que puede ser doméstico o industrial, consiste en el auto-abastecimiento eléctrico gracias a un pequeño punto de generación situado en el lugar de demanda eléctrica.

La energía que se genera se emplea principalmente para abastecer la demanda local, si bien el excedente que no se consume se vierte a la red eléctrica general a través de un doble contador (Net-metering). Este nuevo planteamiento presenta un futuro muy prometedor al contar con importantes ventajas frente al concepto tradicional de producción eléctrica. La Generación Distribuida mejora la eficiencia global del sistema y permite incrementar la participación de las energías renovables en el mix energético. La autogeneración eléctrica también permite aumentar la competitividad de las empresas, a la par que permite la liberación del sector eléctrico. El uso de energía limpia, autóctona, a pequeña escala, de manera distribuida y sostenible evita tener que usar formas tradicionales de generación eléctrica contaminantes.

Las turbinas eólicas más adecuadas para la generación distribuida son las máquinas de pequeña o media potencia, encuadradas dentro del concepto de energía minieólica (P≤100kW). Estas turbinas se conectan en redes de distribución de Baja Tensión con lo cual se pueden instalar junto al punto de consumo eléctrico. La instalación de aerogeneradores minieólicos de última generación mejora la calidad del suministro eléctrico en la red de distribución y proveen de estabilidad a la misma, especialmente cuando se trata de redes de distribución débiles.

Los aerogeneradores minieólicos están desarrollados para diversas aplicaciones de autoconsumo y generación distribuida en conexión a redes de distribución de baja tensión:

Sector industrial: fábricas y polígonos industriales.

Sector doméstico: urbanizaciones situadas en las afueras de núcleos urbanos y zonas rurales

Sector agropecuario: granjas, bombeos y regadíos, bodegas, etc.

Grandes instalaciones del sector servicios: centros comerciales, centros de ocio y turísticos, etc.

Infraestructuras públicas: puertos, depuradoras de aguas residuales, plantas potabilizadoras de agua, canteras, vertederos, centros penitenciarios, bases militares, aeropuertos, electrolineras para recarga de vehículos eléctricos, etc.

Otra aplicación preferente para estos sistemas de generación eléctrica es el suministro de energía en cantidad y calidad en lugares aislados y remotos, donde no es viable, técnica y/o economicamente, una acometida a las redes de distribución eléctrica. En colaboración con otro sistema energético, formando un sistema híbrido de generación eléctrica (eólico-solar, eólico-hidrógeno, eólico-diesel, etc), es posible cubrir el 100% de la demanda eléctrica en un emplazamiento aislado o remoto.

Frente a los aerogeneradores de gran eólica o multi-MW, las turbinas minieólicas presentan grandes ventajas:

Se conectan en las redes de distribución de baja tensión, junto a los puntos de consumo.

La obra civil se simplifica, no precisa grandes caminos de acceso, plataformas de montaje, cimentaciones complejas y largas y costosas acometidas a redes.

Causan menor impacto ambiental y visual que las grandes máquinas.

Sus dimensiones facilitan el transporte, montaje y mantenimiento.

Son instalaciones económicamente accesibles a un amplio abanico de usuarios/inversores.

El ratio de coste por kw instalado es ligeramente superior a la gran eólica, no obstante se compensa por los menores costes en transporte, montaje y mantenimiento.

Su gran versatilidad permite aprovechar recursos eólicos en lugares donde la eólica de gran potencia no puede instalarse.

El uso de este tipo de turbinas eólicas enlaza con la tendencia actual y futura de una sociedad más sostenible y una economía de bajo carbono. Encaja adecuadamente con los nuevos marcos regulatorios, como el Plan de Energías Renovables (PER) 2011-2020, aprobada por el gobierno de España, cumpliendo con la directiva europea de Energías Renovables.

La utilización de la energía minieólica en el marco de la generación distribuida racionaliza la demanda de electricidad, a la par que reduce la dependencia energética de la industria. Por todo esto, la competitividad de la economía mejora ya que uno de sus costes variables de producción deja de depender del precio del petróleo. Por otro lado, se reducen las emisiones de CO² y otros gases de efecto invernadero, limitando de esta manera la huella ecológica que deja la sociedad en el planeta.

Motivadas por el reto que presenta la remodelación del sistema energético actual hacia un sistema más eficaz, en el año 2006 las empresas alavesas ARGOLABE INGENIERÍA y DEL VALLE AGUAYO gestaron un proyecto de un aerogenerador minieólico de 100 kW, robusto y de alta fiabilidad.

Este proyecto, denominado TURBEC, aportaba una solución eólica para la generación eléctrica distribuida, a la vez que cubre el vacío técnológico que existe entre los pequeños aerogeneradores domésticos (microeólica) y los grandes aerogeneradores (gran eólica).

El aerogenerador TURBEC es del tipo tripala con rotor a barlovento de 22,5 metros de diámetro, soportado por una torre tubular de 36 metros de altura. Su potencia nominal es de 100 kW, está diseñado de acuerdo a la normativa internacional más rigurosa y optimizado para emplazamientos de viento bajo (Clase IIIa).

La principal innovación de esta turbina es su diseño robusto que la dota de una elevada fiabilidad con un mantenimiento mínimo. Posee un chasis autoportante ligero que trasmite las cargas del rotor a la torre protegiendo el tren de potencia de la máquina. Las palas poseen una elevada eficiencia aerodinámica y su diseño estructural las hace muy ligeras y resistentes. El innovador sistema electrónico de control optimiza la producción de energía a la vez que reduce las cargas de fatiga sobre la estructura y protege a la turbina frente a los eventos extremos de viento. Por último, su particular diseño le dota de una estética moderna y agradable.

La inclusión de un convertidor electrónico de frecuencia, usado como interface con la red eléctrica, permite la operación del aerogenerador TURBEC a velocidad variable. De este modo la turbina opera a máxima eficiencia de conversión en casi todo el rango de vientos de operación de la misma.

Aparte de incrementar la energía extraída del viento, la operación a velocidad variable gestionada por el sistema de control, reduce los esfuerzos sobre la estructura de la máquina, lo cual alarga la vida potencial de la instalación, a la par que rebaja sus costes de fabricación.

La turbina cuenta también con actuadores mecánicos de pitch con el fin de poder variar el ángulo de ataque de las palas. Estos dispositivos permiten regular la potencia del aerogenerador por encima de la velocidad nominal de viento así como facilitar el arranque de la misma.

El sistema de control se encarga de operar estos actuadores reforzándose la seguridad de la máquina a la vez que se controlan y reducen las cargas aerodinámicas sobre la estructura.

En el diseño y desarrollo de este proyecto se han utilizado las herramientas más sofisticadas, como el software de CAD 3D Catia V5, herramientas de simulación aeroelástica, laboratorios de cálculo matriciales, software de cálculo por elementos finitos y otras herramientas específicas desarrolladas dentro del proyecto.

Cabe destacar que al igual que la innovación y el diseño, los proveedores encargados de la fabricación y/o suministro de los diferentes elementos de la máquina están radicados en el territorio nacional, aunque principalmente en el País Vasco.

El proyecto TURBEC comenzó financiado por el departamento de industria, comercio y turismo del Gobierno Vasco a través del programa GAITEK. En el 2007 el proyecto recibió el impulso del Ministerio de ciencia e innovación del Gobierno de España a través del programa PSE, dentro del Plan Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica. Este plan nacional se encontraba cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

En el proyecto TURBEC han colaborado entidades como el centro nacional de investigaciones energéticas (CIEMAT), el instituto Nacional de Técnica Aeronáutica (INTA), Tecnalia y las Escuelas de Ingeniería de la UPV/EHU; EUITI de Vitoria y ESII de Bilbao.

La empresa Argolabe Ingeniería, SL es una ingeniería que desarrolla su actividad en los sectores aeronáutico, automoción y eólica como desarrolladora de producto y utillaje, ubicada en Vitoria (Álava). La empresa Instalaciones y Montajes eléctrico Del Valle Aguayo, SA es una empresa de servicios dedicada a las instalaciones y montajes eléctricos en industrias, sector público, comercio y vivienda, ubicada en Vitoria (Álava).

Borja Fernández Parada
Josean García Larrínoa
Dpto. Ingeniería Mecánica
Argolabe Ingeniería, S.L.