Artículo escrito por: Agustín Arjonilla, miembro de la Junta Directiva de AWEurope y Consultor Senior de CT Ingenieros
Los sistemas AWE, una nueva tecnología que revoluciona la generación de energía eólica. De molinos de viento a cometas aerotransportadas: la evolución de los dispositivos captadores de energía eólica
La energía eólica no es ni mucho menos algo nuevo. Los primeros molinos de viento prácticos surgieron en Persia, posiblemente ya en el siglo VII después de Cristo. Desde allí, se extendieron a otras partes de Asia, y luego a Europa. Los molinos de viento se utilizaron para una variedad de propósitos, incluyendo la molienda de grano, la extracción de agua y el bombeo de agua. En la actualidad se utilizan para generar electricidad.
La evolución tecnológica de los dispositivos captadores de energía eólica nos ha llevado en la actualidad al uso de aeronaves autónomas cautivas. Estas aeronaves se emplean como dispositivos captadores de energía eólica volando en viento cruzado, y su energía se transmite a tierra; por lo que se podrían considerar como un dron cautivo. Estos peculiares sistemas dron se denominan en inglés como Airborne Wind Energy Systems o AWES.
Los sistemas AWES aglutinan múltiples conceptos para la conversión de la energía del viento en energía eléctrica gracias a vehículos aéreos autónomos conectados a tierra con un cable. Los dos conceptos principales son: la generación eléctrica a bordo del vehículo (“fly-gen”) o en tierra (“ground-gen”):
Airborne Wind Energy
ISBN 978-981-10-1946-3
Los AWES son una tecnología todavía joven. Así mismo, los fundamentos matemáticos de lo que serían los AWES se presentaron en el artículo científico: “Crosswind Kite Power” de Miles L. Loyd en 1980. Durante los noventa, la investigación sobre AWES fue prácticamente abandonada; pero en la última década, el sector ha experimentado una aceleración extremadamente rápida. Varias compañías, generalmente PYMES tipo “start-ups” y “spin-offs” de universidades, han entrado en el negocio de la energía eólica a gran altitud, registrando cientos de patentes y desarrollando prototipos y demostradores. De hecho, es solo a partir de la madurez de las tecnologías que han hecho posible que veamos los cielos de todo el mundo llenos de drones, cuando ha sido posible hacer realidad los distintos demostradores de conceptos sobre AWES que hoy podemos encontrar volando en algunas partes del mundo.
7 razones para utilizar tecnología AWES para la generación de energía eléctrica:
1. Permite el acceso a mayores recursos eólicos
A medida que subimos de altura, la velocidad del viento aumenta, y lo hace casi exponencialmente. Por ejemplo, la densidad energética del viento se duplica entre los 500 y 1500 metros. Esto se traduce en la tendencia industrial global de desarrollar aerogeneradores individuales con potencia nominal aumentada (hasta 5 MW) que cuentan con palas de gran longitud (para aumentar el área de barrido) y eje de turbina de gran altura (para alcanzar vientos más fuertes en mayores altitudes); pero éstos nunca podrán alcanzar las alturas de un AWES.
En el caso de España, los AWES aumentarían significativamente el potencial de recursos eólicos (en península y más aún en islas), tanto on-shore como off-shore.
Extrapolando el caso a todo el planeta, es posible concluir que una parte importante de la energía primaria mundial podría ser potencialmente extraída de los vientos de media y gran altitud. Esto permite prever grandes oportunidades comerciales y de investigación para los próximos años en el campo de los AWES.
2. Mitiga el problema de la intermitencia de las fuentes renovables
En 2016, Bill Gates pidió “Milagros en el campo de la energía”. Con milagros se refería a nuevas tecnologías que pueden ayudar a la energía solar fotovoltaica y las turbinas eólicas convencionales a lograr una transición más rápida y asequible hacia energías 100% renovables que cubran las necesidades a nivel mundial. Estaba buscando especialmente tecnologías que pudieran resolver el problema de la intermitencia de las fuentes de energía renovables (cuando no hay sol o no sopla el viento no hay generación solar ni eólica). Cuando se le pidió que nombrara tales avances potenciales o tecnologías “milagrosas”, Bill Gates mencionó la energía eólica a gran altitud y la calificó como una “solución mágica potencial” para el problema energético del mundo. En otra entrevista, calificó la energía eólica de gran altitud (High-Altitude Wind Energy) como una de las tres tecnologías más prometedoras para la generación de energía renovable.
Siendo realistas, aún tendremos que esperar algunos años antes de disponer de las tecnologías (especialmente de los materiales que componen el cable) para alcanzar alturas mayores de 500m; pero con los actuales 200 a 500m podemos acceder a los vientos que están por encima de la capa límite atmosférica, que son menos turbulentos y más constantes y que mejoran los factores de carga de los actuales sistemas de generación solar y eólica. Por ejemplo, según los datos de Enerkite para su sistema EK200 (ver la siguiente gráfica), estos vientos permitirían mejorar hasta el 75% los factores de carga estimados tanto de los sistemas de generación solar fotovoltaicos (12%) como los de generación eólica convencional (35%):
3. Disminuye los costes de generación (LCOE)
Introducir una nueva tecnología en el mundo real no es tarea fácil. Hay que superar muchas barreras de entrada. Cuando el mercado se plantea adoptar una nueva tecnología, es porque ésta mejora a las actuales en al menos un aspecto (p.ej. economía, medioambiente, factores sociales, etc) y lo hace de una forma significativa (p.ej. mejorándolo al menos un 50%).
Cuando nos planteamos cuantificar las mejoras en el aspecto económico de los sistemas de generación renovable, lo mejor es comparar los costes normalizados de la energía (en inglés Levelized Cost Of Energy o LCOE). El LCOE representa la suma de los costes de un activo de generación de energía durante su periodo de vida (desde su construcción, hasta su reciclado) respecto a la energía que ha producido en dicho tiempo (€/Mwh).
Según varias fuentes, entre ellas la serie histórica de Análisis LCOE de la consultora LAZARD, las actuales energías renovables (infraestructuras solares mayores de 1Mw y granjas de aerogeneradores “onshore”) tienen un menor LCOE que las centrales de carbón o gas natural. Por tanto, habría que comparar los AWES con las actuales energías renovables, de la que los aerogeneradores convencionales son los de más bajo LCOE dada su madurez y período de existencia en el mercado. Dado que no existen sistemas AWES en operación real, más allá de unos pocos demostradores de concepto que funcionan con un cierto grado de autonomía, no podemos considerar sus aspectos de operación y mantenimiento (OPEX); pero si podemos cuantificar los costes de inversión (CAPEX) e inferir los costes de reciclado.
En un aerogenerador convencional el 60% de la energía se genera con el 30% del extremo más exterior de la pala; por lo que éste se puede sustituir por un vehículo aéreo cuya superficie alar sea equivalente al 30% de la superficie de las mismas para generar la misma energía. Esta transformación en un sistema AWES consigue un ahorro en el CAPEX del 50% en una infraestructura típica (ver la siguiente gráfica) mediante la sustitución de las palas y la torre del aerogenerador por una aeronave cautiva con un cable a tierra:
En cuanto a los costes de reciclado, se puede inferir que son mucho menores; ya que la comparación de la masa de un AWES respecto a un aerogenerador convencional (p.ej. ver los datos de la Asociación AWES Europea en Kg/Mwh en la siguiente gráfica) es de aproximadamente un tercio. Por tanto obtenemos un ahorro del 66% en cuanto a la masa de la materia a reciclar:
4. Reduce huella de carbono generación eólica renovable
La huella de carbono de un producto es un indicador ambiental, medido en masa de CO₂ equivalente, que pretende reflejar «la totalidad de gases de efecto invernadero (GEI) emitidos por efecto directo o indirecto durante el ciclo de vida de dicho producto.
Este indicador se ha analizado en el estudio: “Life Cycle Assessment of Electricity Production from AirborneWind Energy” de Stefan Wilhem) basado en un sistema AWES ficticio de 1,8 Mw que incluye todos los componentes necesarios hasta la conexión a la red eléctrica. Como caso de ejemplo, se considera un avión de ala fija generalizado con un generador basado en tierra. Luego, este sistema se compara con un aerogenerador convencional de potencia similar. El estudio concluye que la planta AWE estudiada tiene una huella de carbono del 49% respecto del aerogenerador convencional (ver el desglose de la huella de carbono por elementos):
5. Causa menor impacto visual
Como se suele decir, una imagen vale más que mil palabras: el impacto visual de las distintas tecnologías para generar 100 Kw es muy diferente.
6. Provee mayor flexibilidad
Los AWES permiten poder disponer de un sistema de generación renovable que se instala y se desinstala en unos minutos y que además se puede transportar fácilmente, asentar y operar en casi cualquier parte del mundo.
Al fin y al cabo, un AWES es una máquina compuesta de básicamente 3 elementos: una aeronave, un sistema en tierra y un cable que une los anteriores; que se puede “compactar” en un formato que nos permita incluso su transporte por carretera. De hecho, los múltiples demostradores de concepto AWES que existen en la actualidad, suelen alojar todos los elementos en un contenedor; permitiendo así su transporte por tierra, mar o aire, de forma fácil y eficiente (ver ejemplos de 20Kw y 100Kw de Twingtec).
La flexibilidad supone unas ventajas logísticas que convierten los AWES en una opción muy atractiva para casos como emergencias, militares, de autoconsumo y en general en sistemas aislados (off-grid) y/o remotos en los que pueden competir en la actualidad con éxito frente a soluciones tan optimizadas como la generación con grupos electrógenos.
7. Proporciona mayor escalabilidad
En la actualidad existen una gran cantidad de conceptos AWES que han sido demostrados en vuelo (ver la siguiente imagen de algunos demostradores europeos). Una vez se ha desarrollado el demostrador de concepto AWES, es bastante inmediato escalarlo desde unos pocos Kw a varios Mw (ver anteriores ejemplos de Twingtec).
Desde CT, hemos reconocido el gran potencial que tienen los AWES para generar energía renovable. Por ello, en 2020 empezamos a desarrollar las tecnologías habilitantes que se necesitan para que los AWES alcancen su madurez mediante una colaboración con la Universidad Carlos III de Madrid, quienes son los pioneros en España en el desarrollo de tecnologías AWES y estamos diseñando un sistema propio 100% español orientado al mercado del autoconsumo; aunque también hemos establecido una política de alianzas con integradores de sistemas más maduros para poder dar soluciones al mercado de la generación renovable a mayor escala.
Siendo la principal empresa española de la Asociación Europea AWE, desde hace más de un año nos hemos embarcado en varias iniciativas de comunicación y de actuaciones concretas coordinadas con el resto de la industria AWES Europea como son: el Centro de Excelencia Europeo AWES en la isla de La Gomera, el Centro de Pruebas en Vuelo en CEDER/Soria y nuestro Centro de Pruebas en Vuelo en Madrid/Castilla León. El Centro de Excelencia aglutina no solo las infraestructuras para las operaciones; sino que además ofrece unas infraestructuras únicas en el mundo para el diseño conceptual de las aeronaves AWES, de modelado y simulación AWES avanzados y entornos avanzados de integración AWES. Además, estamos ya trabajando en propuestas para generación a mayor escala para la industria energética nacional.