Energía eólica: velocidad al cubo, un límite duro y un desplome de costes
La eólica es la fuente de electricidad nueva más barata en buena parte del mundo, y llegó a serlo más rápido de lo que casi nadie previó. La física que la rige no ha cambiado desde 1919, cuando Albert Betz dedujo el máximo teórico. Lo que cambió fue la fabricación, la longitud de pala y la decisión de construir en el mar.
Por qué el cubo importa tanto
La energía cinética del aire en movimiento depende de su masa y del cuadrado de su velocidad. Pero un viento más rápido también entrega más masa por segundo a través de la misma superficie, de modo que la potencia disponible escala con la velocidad al cubo. Esta única relación domina todas las decisiones del sector.
La consecuencia es que pequeñas diferencias en la velocidad media del viento producen grandes diferencias de producción. Un emplazamiento con una media de 7,5 metros por segundo en lugar de 6,5 rinde cerca de un 50 por ciento más de energía con la misma máquina. Dos turbinas separadas por unos kilómetros pueden diferir económicamente más de lo que difieren sus costes de construcción.
También explica la forma de la curva de potencia. Por debajo de unos 3 metros por segundo no hay energía suficiente para vencer el rozamiento y la máquina permanece parada. Después la producción sube con fuerza hasta la potencia nominal, típicamente entre 12 y 15 metros por segundo, por encima de la cual las palas se orientan deliberadamente para desperdiciar el exceso: el generador no admite más y la estructura no debe sobrecargarse. Por encima de unos 25 metros por segundo la turbina se detiene por completo para protegerse.
La altura de buje sigue la misma lógica. La velocidad del viento aumenta con la altitud porque el rozamiento con el suelo frena las capas más bajas, así que elevar una turbina de 80 a 120 metros puede añadir entre un 10 y un 15 por ciento de producción sin cambiar nada más.
El límite de Betz
En 1919 Albert Betz se preguntó qué fracción de la energía del viento puede tomar un rotor, y lo respondió con un argumento de conservación que no requiere saber nada sobre el diseño de las palas. Para extraer energía, una turbina debe frenar el aire. Pero si lo detuviera del todo, ese aire no tendría adónde ir y bloquearía el flujo tras el rotor. Si no extrae nada, el aire pasa libremente pero no entrega nada.
Entre esos extremos hay un óptimo, y Betz demostró que es exactamente 16/27 de la energía cinética entrante: el 59,3 por ciento. Ningún rotor, sea cual sea su diseño, puede superarlo, porque el argumento depende solo de la conservación de masa y momento.
Es un techo físico genuino, no una limitación temporal de ingeniería, y conviene distinguirlo de las afirmaciones de que un diseño mejor podría superarlo. Las turbinas tripala modernas alcanzan del 45 al 50 por ciento de la energía del viento, es decir, entre el 75 y el 85 por ciento del máximo de Betz. El margen restante es pequeño, y por eso el sector ha perseguido rotores mayores y mejores emplazamientos en lugar de conceptos de rotor radicalmente distintos.
Terrestre, marina y por qué siguen creciendo
La energía que capta una turbina es proporcional al área que barren sus palas, y esa área crece con el cuadrado de la longitud de pala. Duplicar la longitud cuadruplica el área. Ese es el motor de cuatro décadas de crecimiento continuo: de rotores de 15 metros en los años ochenta a más de 230 metros hoy.
En tierra el crecimiento tiene límites. Las palas deben transportarse por carretera, lo que restringe su longitud, y la normativa urbanística limita la altura y la proximidad a las viviendas. Las máquinas terrestres se agrupan por ello entre 3 y 6 megavatios.
En el mar esas restricciones se aflojan. Los componentes llegan en barco, no hay vecinos cerca, y el viento es más fuerte y menos turbulento porque no hay relieve que lo perturbe. Las turbinas marinas han crecido hasta 14-18 megavatios, cada una capaz de abastecer a miles de hogares. La contrapartida es el coste: cimentaciones en agua salada, cables submarinos y mantenimiento con buques encarecen notablemente la instalación por megavatio, y por eso se desarrolló más tarde y sigue concentrada en Europa y China.
Las plataformas flotantes son la frontera actual. Las cimentaciones fijas dejan de ser prácticas más allá de unos 60 metros de profundidad, lo que excluye la mayor parte del litoral mundial, incluidos casi todo Japón y la costa oeste de Estados Unidos. Las instalaciones flotantes están en despliegue comercial temprano y abrirían superficies mucho mayores si bajan los costes.
Factor de capacidad y la cuestión de la intermitencia
Una turbina de 5 megavatios nominales no produce 5 megavatios. Su factor de capacidad -producción anual real dividida por el máximo teórico- ronda el 35-45 por ciento en tierra y el 45-60 por ciento en el mar. Los diseños modernos han elevado bastante estas cifras montando rotores mayores sobre el mismo generador, lo que sacrifica potencia punta para producir más horas.
No se trata de falta de fiabilidad en el sentido de averías: las turbinas están disponibles mucho más del 95 por ciento del tiempo. Refleja el recurso. El viento sopla cuando sopla, y casarlo con la demanda es la tarea central de una red con alta penetración eólica, y por eso el almacenamiento y las redes inteligentes son ya inseparables del debate eólico.
La dispersión geográfica ayuda mucho. Las condiciones de viento a lo largo de un continente están mucho menos correlacionadas que dentro de una sola región, así que una red bien interconectada ve una producción agregada mucho más suave que cualquier parque individual. La eólica marina además correlaciona mal con la solar, lo que resulta útil: en el norte de Europa es más fuerte en invierno, cuando la solar es más débil.
El complemento de la eólica es algo que funcione al margen del clima. Las fuentes con ese carácter -fisión nuclear, geotermia, hidroeléctrica con embalse- ocupan en la red un papel distinto y no competidor, y la investigación en energía ambiental disponible de forma continua nace de esa misma brecha.
Preguntas frecuentes
¿Por qué duplicar la velocidad del viento da ocho veces más potencia?
La energía cinética va con el cuadrado de la velocidad, y un viento más rápido además empuja más masa de aire por el rotor cada segundo. Al multiplicar ambos efectos resulta una relación cúbica. Por eso la elección del emplazamiento domina la economía eólica y por eso pesan tanto las pequeñas diferencias de velocidad media.
¿Qué es el límite de Betz?
La fracción máxima de energía cinética del viento que cualquier rotor puede extraer: el 59,3 por ciento. Betz lo dedujo en 1919 de la conservación de masa y momento, y se aplica a todo diseño, porque una turbina que detuviera el aire por completo bloquearía el flujo tras ella. Las turbinas modernas llegan al 45-50 por ciento.
¿Cuánto funcionan realmente los aerogeneradores?
Generan durante aproximadamente el 70-90 por ciento de las horas del año, aunque rara vez a plena potencia. El factor de capacidad -potencia media respecto a la nominal- es del 35-45 por ciento en tierra y hasta el 60 en el mar. La disponibilidad técnica supera el 95 por ciento; la variabilidad viene del viento, no de la máquina.
¿Por qué son tan grandes las turbinas marinas?
El transporte terrestre limita la longitud de pala y la normativa limita la altura. En el mar los componentes llegan en barco y no hay vecinos, así que los rotores pueden superar los 230 metros. El viento marino es además más fuerte y constante, lo que justifica la mayor inversión pese a cimentaciones y cables más caros.
¿Cuánto tarda un aerogenerador en devolver su propia energía?
Los estudios de ciclo de vida suelen encontrar entre cinco y doce meses, incluyendo fabricación, transporte, instalación y desmantelamiento, frente a una vida útil de 20 a 25 años. El reciclaje de las palas sigue siendo un problema abierto, porque los materiales compuestos son difíciles de separar.
