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El conocimiento científico crece gracias a la labor de miles de personas que se esfuerzan, hasta el agotamiento, por encontrar respuestas a los enigmas que plantea la Naturaleza. En cada programa un científico conversa con Ángel Rodríguez Lozano y abre para nosotros las puertas de un campo del conocimiento.

Grandes retos en la ciencia de la energía del viento. Hablamos con Xabier Munduate.

Energía del viento - Hablando con Científicos podcast  - CienciaEs.com

La sociedad demanda cada día más una energía limpia y asequible que permita cubrir las necesidades de la humanidad en las próximas décadas. Con una población en aumento que se acercará a los 10.000 millones de personas sobre el planeta a mediados de 2050, las necesidades de energía se multiplicarán. Según estimaciones de Bloomberg New Energy Finance (BNEF) la demanda anual mundial de electricidad podría superar los 38,000 teravatios-hora por año para 2050, frente a los aproximadamente 25,000 teravatios-hora que se consumieron en 2017, un aumento del 50%.

La reducción de gases de efecto invernadero necesaria para afrontar el problema de calentamiento global, en el que estamos inmersos, exigirá la sustitución de las fuentes de energía contaminantes por fuentes limpias, como la energía solar o eólica. Muchos de los sectores energéticos tradicionalmente basados en la quema de combustibles fósiles, como la calefacción o el transporte, deberán ser sustituidos por otros impulsados por energía eléctrica producida a partir de fuentes limpias. Un buen ejemplo que apoya esta tendencia es la gran revolución que están propiciando los vehículos eléctricos frente a los tradicionales vehículos de combustión.

Se calcula que tan solo la energía obtenida del viento deberá suministrar un tercio de la demanda de energía mundial para el año 2050, un objetivo que exigirá superar algunos retos como se defiende en el artículo Grand challenges in the science of wind energy. publicado recientemente en la revista científica Science, uno de cuyos autores es nuestro invitado en Hablando con Científicos, Xabier Munduate, investigador del Departamento de Energía Eólica del Centro Nacional de Energías Renovables.

El primero de los grandes desafíos que habrá que superar para que la energía eólica alcance los objetivos fijados para 2050 consiste en comprender de una manera más profunda la física del flujo atmosférico de manera que el conocimiento permite un mayor aprovechamiento de la energía del viento en los parques eólicos. La energía del viento se debe al calentamiento desigual de la superficie terrestre y a las fuerzas derivadas de la rotación del la Tierra, o fuerzas de Coriolis. Dependiendo del lugar los vientos siguen su propia dinámica que hay que comprender para obtener un aprovechamiento máximo de la energía. En tierra no es lo mismo un lugar elevado que una llanura o un desierto y sobre los océanos juegan factores como la brisa marina o terrestre, la proximidad a tierra, la temperatura del aire o la altura de las olas. U cada lugar se produce variaciones diarias entre el día y la noche, o diferentes velocidades a distintas alturas. A todos estos factores que podemos llamar “locales” hay que sumar otros que tienen dimensiones mucho mayores debidos a fenómenos meteorológicos de carácter global. Así, el conocimiento profundo de la física del viento a distintas escalas espaciales y temporales permitirá optimizar los recursos y obtener mejores rendimientos en el futuro.

El segundo desafío involucra a la ciencia e ingeniería de los aerogeneradores, en especial aquellos que por sus dimensiones están entre las máquinas más grandes del mundo. Un generador moderno está construido sobre una cimentación en la que se apoya una torre cilíndrica que soporta, a unos 100 metros de altura en un aerogenerador medio, una caja o góndola que va acoplada a tres palas que pueden tener longitudes de unos 60 metros por término medio. Las palas giran por la acción del viento a revoluciones lentas. Las revoluciones de las palas se transmiten a la góndola donde se elevan las revoluciones a otras muy altas para que un generador las convierta en electricidad. La construcción de aerogeneradores de mayor tamaño, que supera los 200 metros de altura de la pala, exige tener unas herramientas con las que se puedan modelar la interacción del viento y las palas. El viento cambia con la altura, la velocidad de rotación del extremo de la pala es muy diferente a la raíz, mientras que el extremo se mueve a velocidades de 100 metros por segundo, la parte de conexión a la góndola apenas se mueve. Estos factores y otros muchos hay que tenerlos en cuenta cuando se diseñan grandes aerogeneradores, que deben ser más esbeltos, con materiales menos rígidos y materiales más ligeros. Estos desafíos exigen la elaboración de nuevos diseños, un mayor esfuerzo de modelización y comprensión de las deformaciones momentáneas que se producen debidos a las fuerzas que soportan las palas cuando están moviéndose.

El tercer desafío abarca la optimización y el control de las flotas de plantas eólicas para que trabajen de manera óptima dentro de la red eléctrica. La producción de los parques eólicos ha ido subiendo con los años y en estos momentos puede llegar, en determinados momentos, a cubrir las necesidades totales de electricidad de la red de distribución eléctrica en un momento dado. Aunque estos casos sean esporádicos, en España los valores medios son de un 20% de la capacidad de la red, en esos momentos de máxima producción se puede llegar al 100%. Estos cambios exigen el estudio y adaptación de la relación entre el parque eólico y la red de manera que su conexión sea óptima en cada momento.

De estos desafíos nos habla con detalle durante la entrevista Xabier Munduate, investigador del Departamento de Energía Eólica del Centro Nacional de Energías Renovables (CENER), os invito a escucharlo.

Referencia: Paul Veers et al., Grand challenges in the science of wind energy. Science 10 Oct 2019:eaau2027 DOI: 10.1126/science.aau2027


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