En nuestra carrera por abandonar los combustibles fósiles, la luz del sol y el viento han demostrado ser nuestra mejor oportunidad para aprovechar las energías renovables y proporcionar energía limpia.

La eficiencia de los paneles solares se ha disparado enormemente, lo que permite obtener más energía de menos tierra. Con las turbinas eólicas, también se han encontrado grandes mejoras, principalmente al volverse enormes.

En pocas palabras, hay dos factores clave a tener en cuenta. Primero está la velocidad del viento: el potencial de potencia aumenta con el cubo de la velocidad del viento, por lo que duplicar la velocidad aumenta la potencia por un factor de ocho. Luego está el tamaño de las palas de la turbina, donde el doble del diámetro aumenta la potencia disponible en un factor de cuatro.

La construcción de turbinas más grandes aprovecha ambas circunstancias. Al ir más alto, generalmente obtienes acceso a velocidades de viento más altas y tienes más espacio para construir las enormes aspas que aprovechan esos vientos.

En números, una turbina eólica de 57 m de altura puede generar alrededor de 1 MW, mientras que una turbina de 95 m puede generar 3 MW, según el Departamento de Energía. Una turbina de 120m de altura puede generar 17MW.

Este concepto básico ha liderado la dirección de la industria de turbinas eólicas durante las últimas tres décadas y media, señaló Shashi Barla, jefe de análisis e inteligencia en la asesoría de energías renovables Brinckmann. "Ese ha sido el impulso durante todos estos años, porque cuanto más grande es la turbina, mayor es el rendimiento energético".

Sin embargo hay un problema. A medida que vas subiendo, las cosas se complican.

Comencemos con las turbinas eólicas en tierra. Primero, hay un problema de costo simple: durante años, la economía ha estado a favor del crecimiento, pero los diseños actuales están llegando a un punto en el que el exceso de metal e infraestructura para soportar turbinas más grandes podría costar más de lo que valen. Un estudio de 2022 encontró que 120 m era la altura óptima en las turbinas modernas, antes de que la inversión adicional no tuviera sentido.

Luego está el desafío básico de llevar los componentes de la fábrica a su sitio. Una torre de turbina o pala gigante simplemente no puede abrirse camino a través de pasos subterráneos, a través de puentes y alrededor de carreteras, lo que pone un límite fundamental en la altura de la turbina: la distancia desde la plataforma de la turbina hasta el rotor de una turbina eólica instalada.

“El mayor desafío es la logística, por mucho”, dijo Barla. “En tierra, casi hemos llegado al estancamiento. En los últimos cuatro años más o menos, por primera vez en la industria eólica, las introducciones de nuevos productos de turbinas se han ralentizado significativamente”.

Las turbinas en tierra en los EE. UU. han alcanzado una altura de 94 m, pero tienen dificultades para lograrlo.

La Oficina de Tecnologías de Energía Eólica del DOE espera ayudar a resolver el problema, trabajando con las empresas de turbinas para hacer que las máquinas sean más modulares, y está tratando de ver si es posible construir piezas en el sitio, al tiempo que aumenta drásticamente la cantidad de turbinas repartidas por el país.

“Cuando miramos a Estados Unidos, una de las cosas que realmente nos interesan es desplegar mucho más viento para cumplir con los objetivos de descarbonización de la administración Biden-Harris. Y para hacerlo, necesitaremos de cinco a diez veces más implementaciones de las que tenemos hoy, por lo tanto, muchas más turbinas”, dijo el gerente del programa de turbinas eólicas del DOE, Mike Derby.

“Luego está el valor económico para el país que también estamos analizando. Nos gustaría fabricar estas turbinas localmente en los Estados Unidos, por lo que estamos buscando innovación para palas más largas y más grandes y cómo logramos que la fabricación regrese a los Estados Unidos”.

Éxito en espiral

A principios de este año, un proyecto potencialmente transformador comenzó a tomar forma en Texas.

Al asociarse con GE, Keystone Tower Systems tomó tecnología prestada de la fabricación de tuberías para desarrollar una torre de turbina eólica soldada en espiral. Esencialmente, coge una hoja de acero enorme y la enrolla en una torre en el sitio.

Esto resuelve el problema del transporte (al menos para la torre, no para las palas), lo que permite que las turbinas crezcan más. Cuando recibió una subvención de 5 millones de dólares del DOE en 2019, Keystone dijo que creía que el método le permitiría producir torres con más de 7 m de diámetro, lo que permitiría alturas de cubo de 180 m y más.

A finales de febrero de este año, Keystone construyó la primera de estas torres. Con una altura de 89 m, ya se encuentra en el límite superior de las turbinas terrestres de EE.UU certificada para una vida útil de 40 años, la torre se considera actualmente como un simple reemplazo de las torres estándar de GE y cuenta con la turbina 2.8-127 de GE.

Pero la esperanza es que las futuras torres sean más grandes y, lo que es más importante, más baratas. Un estudio del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) en 2019 encontró que alrededor de la mitad del costo nivelado de energía (LCoE) de un parque eólico provino del costo de la turbina eólica, con alrededor del 10,3 por ciento de los costos representados por la torre.

Con los diseños tradicionales, cuanto más alta es la turbina, más dinero se destina proporcionalmente a la torre: el gasto de capital de una torre de 110 m es aproximadamente el 20 por ciento del proyecto total. Agregue otros 40 m y salta al 29 por ciento.

Las torres cilíndricas rodadas en el sitio podrían solucionar eso, si Keystone puede ampliar sus esfuerzos en todo el país. Afirma que puede hacer las torres 10 veces más rápido que una fábrica tradicional y con un 80 por ciento menos de mano de obra.

Junto con el esfuerzo, GE Renewables está experimentando con la impresión 3D para crear bases de torres personalizables. El DOE también lanzó el proyecto Big Adaptive Rotor (BAR), explorando palas flexibles que podrían estirarse hasta 206 m de diámetro y ser más fáciles de transportar, ya que podrían doblarse 13° durante el viaje.

Eso aumentaría los factores de capacidad en un 10 por ciento o más con respecto a una turbina terrestre típica, según cree el DOE, lo que equivale a una sola turbina promedio que alimenta otras 280 viviendas.

Sin embargo, la flexibilidad trae sus propios problemas. Incluso sin BAR, a medida que las aspas se alargan, tienden a ser más flexibles y es más difícil controlarlas y mitigar las cargas para obtener la potencia esperada.

También hay una escasez de grúas que sean lo suficientemente grandes como para mantenerse al día con el crecimiento de las turbinas y seguir el ritmo de cualquier aumento de altura. Esta restricción de la cadena de suministro aún no se ha resuelto en los EE. UU.

En todo el mundo, la concesión de permisos es otro problema. "Un obstáculo importante es la obtención de permisos para los proyectos", dijo Barla. "En un mercado como Francia, podrían pasar unos siete años para permitir un proyecto eólico terrestre. Y en esos siete años, si observa la tecnología, las turbinas habrán completado dos revoluciones tecnológicas".

Para cuando el proyecto obtenga un permiso, es posible que las turbinas alrededor de las cuales fue diseñado ya no existan. Las empresas pueden solicitar un nuevo permiso para turbinas más nuevas, más altas y más eficientes, pero se corre el riesgo de agregar más tiempo a la etapa de obtención de permisos.

"Si no quieren invertir dos años adicionales, entonces restringirían el tamaño del proyecto en función de la configuración técnica anterior", lo que significa un parque eólico menos rentable, explicó.

La buena noticia es que los gobiernos europeos son conscientes de que se trata de una estrategia muy defectuosa y han prometido reducir significativamente los plazos para la concesión de permisos, un pequeño resultado positivo de la crisis energética provocada por la invasión rusa de Ucrania.

Otra restricción gubernamental es la altura de la punta, la altura máxima total de una turbina, incluidas las palas.

Irlanda espera aumentar enormemente su dependencia de las turbinas eólicas, pero el país ha impuesto restricciones basadas en la altura de la punta para proteger a las comunidades locales.

A fines de 2019, el país amplió sus estándares de ruido de 2006 para establecer que las turbinas eólicas deberán retranquearse, con al menos cuatro veces la altura de la punta entre una turbina eólica y la vivienda más cercana, y una distancia mínima obligatoria de 500 m.

Eso significa que un aerogenerador de 180 m tendrá que estar al menos a 720 m de la vivienda más cercana. Las turbinas también deben mantenerse alejadas de carreteras y vías férreas, a una distancia igual a la altura de la punta más un 10 por ciento. Estas y otras restricciones de altura de punta significan que las turbinas tienen ubicaciones limitadas o tienen que comprometer la altura.

"Debido a esas restricciones de altura de punta, no podrá implementar tecnologías de última generación en esos mercados", dijo Barla. "Y así, como consecuencia, su capacidad para reducir el costo también se verá limitada".

Mar abierto

Las cosas se ponen un poco más fáciles en el mar. Nadie vive cerca, y no tiene que meterse debajo de un paso elevado para entregar la turbina.

Esto ha permitido que las turbinas eólicas marinas crezcan rápidamente.

"La altura de las turbinas eólicas marinas es bastante más alta que la eólica terrestre", explicó Nathan McKenzie, gerente de tecnología de I + D de energía eólica marina del DOE.

El próximo paso en la energía eólica marina es desplegar turbinas que tengan una capacidad de 15MW. A modo de comparación, el tamaño promedio de las turbinas marinas instaladas en 2020 fue de alrededor de 8MW, que está más allá de los límites prácticos para la mayoría de las turbinas terrestres.

Con este y otros avances, la consultora McKinsey cree que el costo nivelado de la electricidad generada por el viento podría caer de alrededor de 150 € por megavatio-hora (MWh) en 2015 a menos de 50 € por MWh alrededor de 2024, una mejora espectacular.

Al mismo tiempo, la compañía señala que se espera que la capacidad eólica marina instalada mundial crezca de 40 GW en 2020 a 630 GW para 2050.

Pero, al igual que con las grúas en tierra, existen cuellos de botella críticos en la construcción que podrían frustrar una construcción rápida. “La instalación de parques eólicos marinos se basa en embarcaciones de instalación de turbinas eólicas (WIV), que se anclan al fondo del mar, pero no hay muchas de estas embarcaciones en el mundo”, dijo McKenzie del DOE. "Actualmente, hay 16 buques de instalación de turbinas eólicas activos en Europa y solo dos pueden manejar turbinas de 15MW".

Nuevamente, hay quienes esperan innovar para salir del problema. Maersk Supply Service ha diseñado un nuevo WIV que estaría estacionado de forma permanente en un parque eólico para realizar sucesivas instalaciones.

Construido por SembCorp Marine, se espera que Kirby Offshore Wind entregue el WIV en aguas estadounidenses en 2025. Los socios esperan que el nuevo diseño pueda reducir los costos de instalación en un 30 por ciento y aumentar el suministro de WIV.

El nuevo buque será utilizado por Equinor y bp para la instalación de los parques eólicos marinos de EE. UU. Empire 1 (816MW) y 2 (1260MW) y Beacon Wind (1,2GW).

Si se resuelven estos problemas de la cadena de suministro, pueden surgir otros problemas con vientos fuertes. El problema es que no sabemos exactamente qué son.

“Necesitamos tener campañas de recursos de evaluación del viento que vayan más alto en la atmósfera, para que sepamos exactamente en qué estamos poniendo las turbinas”, dijo McKenzie.

“Acabamos de volver a desplegar una boya frente a Hawái y tenemos el Proyecto de mejora del pronóstico del viento”, todo con el objetivo de mejorar nuestra comprensión de lo que sucede exactamente en los cielos de arriba.

“Como las palas eólicas marinas tienen más de 100 metros de tamaño, comienzas a experimentar fenómenos aerodinámicos que no vemos en escalas más pequeñas”, agregó McKenzie. “Así que estamos enfocados en comprender esos regímenes aerodinámicos particulares”.

Los datos serán de gran ayuda, al igual que las computadoras. “Con turbinas de mayor capacidad, debe probarlas por completo antes de que se vayan al mar”, dijo McKenzie.

“Vemos un gran beneficio en aumentar nuestra capacidad de realizar pruebas numéricas, con mejores modelos de escritorio que pueden analizar completamente estas turbinas antes de llevarlas al mar”.

Incluso con estos avances y un esfuerzo concertado, es posible que las alturas cada vez mayores de las turbinas eólicas comiencen a disminuir, tanto en el mar como en tierra.

Eso puede no ser necesariamente algo malo.

"En las últimas tres décadas y media, la principal evolución fue aumentar el tamaño", dijo Barla. "Hay una gran cantidad de innovaciones que están ocurriendo dentro de la turbina, pero ese ha sido el impulso durante todos estos años".

Dado que las turbinas más grandes ya no son una victoria fácil y confiable, Barla espera que veamos una ráfaga de innovación en otras áreas.

"Hace unos seis años, Vestas ideó una tecnología multirrotor, que es, con mucho, una de las mayores innovaciones del mercado", dijo. No pudo obtener tracción en ese momento, pero ahora China (que debe tenerse en cuenta ha podido construir más en tierra y en el mar que en cualquier otro lugar) ha comenzado a intentar replicar la tecnología.

La empresa china Mingyang ofrece la turbina eólica terrestre más grande del mundo con 8,5 MW (que pronto será superada por un sistema de 10 MW del rival local Envision Energy), pero ahora está experimentando con un diseño de rotor doble, dijo Barla. También están buscando máquinas a favor del viento, que tienen el rotor colocado en el lado de sotavento de la torre.

En Europa, otra frontera es qué hacer con toda esta electricidad, generada a kilómetros de la costa, posiblemente en momentos en que la demanda es baja.

En lugar de transmitir la energía a la tierra a través de cables potencialmente caros y con pérdidas, las empresas están investigando la conversión a otras formas en el mar. Siemens está probando la integración de electrolizadores de hidrógeno en turbinas eólicas marinas.

Mientras tanto, Vestas está estudiando la instalación de electrolizadores en tierra. Ambas propuestas podrían resultar críticas en el desarrollo del hidrógeno verde.

"Esa es la innovación que surge más allá de simplemente aumentar el tamaño", dijo Barla.