En la actualidad, las energías eólica y solar dominan el mercado de la generación de energía renovable; según la Agencia Internacional de Energía Renovable (IRENA), la energía eólica abarcará aproximadamente 24% de la energía renovable total consumida para el año 2050 [1].
La energía eólica se considera como una de las tecnologías más importantes para la generación de electricidad, especialmente teniendo en cuenta las circunstancias económicas y medioambientales actuales. A nivel mundial, la industria de la energía eólica se encuentra en una época de crecimiento sustancial, como resultado de los avances en la tecnología, y está lista para expandirse, a medida que el mundo busca formas más limpias y sostenibles de generar electricidad.
Con la urgencia de una transición energética global para mitigar los efectos del calentamiento global debido a la contaminación, esta transición requerirá a corto plazo de innovaciones tecnológicas importantes para crear cada vez sistemas de energía renovable más eficientes [2].
Un aerogenerador o turbina eólica es una máquina que convierte la energía del viento en energía eléctrica. La electricidad generada por turbinas de viento se utiliza en diversas aplicaciones como cargar circuitos de batería, sistemas de energía residencial, sistemas de distribución, etc. El futuro de esta tecnología está relacionado con el diseño confiable, seguro y económico de uno de los componentes más importantes de estas máquinas: las aspas de la turbina. El futuro de la conservación y éxito de este tipo de energía se verá reflejado en los avances que se desarrollen en los próximos años para los nuevos rotores de las turbinas eólicas. (Figura 1).
Nuevos materiales
Diversos avances se han logrado en los últimos años en el campo del desarrollo de materiales, que son cada vez más ligeros y resistentes; como principales alternativas se tienen los materiales compuestos. En el caso de las turbinas eólicas, gran parte de la tecnología usada para la fabricación de los elementos que componen al rotor son materiales compuestos de una matriz de resina con refuerzo de distintos tipos de fibras, principalmente de fibra de vidrio. En aspas de mayor tamaño encontramos el uso de fibra de carbono en las zonas críticas.
Sin embargo, con el paso de los años se está presentando un gran problema y reto para el futuro de las aspas fabricadas con compuestos; estos materiales se consideran no reciclables y comienza a surgir el tema de la eliminación de las aspas después de su periodo de vida útil. La investigación de Liu y Barlow [3] nos muestra que habrá 43 millones de toneladas de residuos de aspas en todo el mundo para el año 2050, lo cual va a generar un problema muy grave de desperdicio y basura si no encontramos una solución para el proceso de reciclaje de estos materiales.
Lo anterior muestra que en el futuro requeriremos voltear hacia otros materiales con prestaciones mecánicas similares, pero con un ciclo de vida más sustentable. La empresa sueca Modvion está apostando por el desarrollo de diversos componentes de turbinas con materiales basados en madera; esto permitirá crear un plan sustentable para el ciclo de vida del aspa y su posterior desecho cuando acabe la vida útil de la misma. Igualmente, otras empresas, como Siemens Gamesa, buscan soluciones que permitan resolver el problema que se presentará conforme esta tecnología vaya incrementando su capacidad década con década. Sin duda, el tema de los materiales se deberá priorizar y analizar minuciosamente en el futuro cercano de esta tecnología.
Aspas inteligentes en turbinas eólicas
Otro tema fundamental, como panorama en el futuro de la energía eólica, será el desarrollo de nuevas aspas que se adapten a las diversas condiciones de energía disponible de forma automática; esto ofrecerá una alternativa para integrar turbinas eólicas más eficientes y que autorregulen la energía entregada. En este sentido el estado del arte muestra una tendencia en el uso y aplicación del concepto de aspas inteligentes para los aerogeneradores del futuro.
Estamos siendo testigos de cómo distintas tecnologías que inicialmente fueron concebidas para la aeronáutica, como los alerones, actuadores de plasma, generadores de vórtices, etc., se están aplicando en turbinas eólicas desde hace ya más de una década. Su aplicación e integración en turbinas comerciales logrará la fácil adaptación de la energía eólica en el mercado mundial de la energía, mediante la reducción de los costos de operación de estas grandes máquinas, así como por la mejora de su calidad de energía eléctrica.
Actualmente, universidades de gran prestigio, como la Universidad Técnica de Berlín, han realizado grandes avances en el campo de las aspas inteligentes, teniendo incluso prototipos a escala en los que se prueban en laboratorio las distintas tecnologías integradas en aspas de turbinas eólicas. En el caso particular de México, se requerirá en un corto plazo reforzar la investigación aplicada de nuevas tecnologías en el campo de la energía eólica, con el fin de evitar el rezago tecnológico.
Gracias a diversos programas nacionales, investigadores han realizado diversos avances en propuesta de aspas inteligentes. La Figura 2 muestra un prototipo piloto desarrollado por el Dr. Franco, el cual sirvió para crear las bases en el estudio de este tipo de tecnología a nivel nacional. El Dr. Franco actualmente se encuentra desarrollando esta línea de investigación en la naciente Escuela Nacional de Estudios Superiores de Juriquilla de la UNAM. Este prototipo es capaz de deformar su perfil aerodinámico dependiendo de las condiciones del viento, de manera que el aspa responde en tiempo real y modifica su estructura para aumentar la eficiencia y reducir cargas en turbinas eólicas.
Conclusiones
La energía eólica se encuentra en una fase de transición a ser una de las mayores aportadoras a la generación de energía limpia en el planeta, esto requiere de grandes avances tecnológicos que permitan a esta tecnología seguir tomando terreno sobre los combustibles fósiles.
El principal componente que requieren son las aspas de las turbinas eólicas de nueva generación, por lo cual se están presentando dos temas fundamentales: por un lado, se buscan nuevos materiales que provean un ciclo completo de reciclaje, para evitar así un futuro lleno de desechos y basura de aspas que terminaron su vida útil; algunas empresas internacionales están investigando nuevos materiales basados en madera y otros reciclables. Por otro lado, se encuentra la aplicación de aspas inteligentes; este sin duda será un tema del que se continuará investigando en todo el mundo en los próximos años, y México ya ha empezado a trabajar en ello, lo cual nos permitirá en un futuro tener desarrollos competitivos en el ámbito de la energía eólica.
Referencias
[1] Global Energy Transformation: A Roadmap to 2050 (2019 Edition). 52.
[2] Castillo, A.D.; Jauregui-Correa, J.C.; Herbert, F.; K. Castillo-Villar, K.; Franco, J.A.; Hernandez-Escobedo, Q.; Perea-Moreno, A.-J.; Alcayde, A. The Effect of a Flexible Blade for Load Alleviation in Wind Turbines. Energies 2021, 14, 4988, doi:10.3390/en14164988.
[3] Liu, P.; Barlow, C.Y. Wind Turbine Blade Waste in 2050. Waste Manag. 2017, 62, 229–240, doi:10.1016/j.wasman.2017.02.007.
El doctor Jesús Alejandro Franco Piña es profesor de la Escuela Nacional de Estudios Superiores Unidad Juriquilla, de la Universidad Nacional Autónoma de México
