Fundamentos de la Tecnología Eólica y Geotérmica: Parámetros de Diseño y Emplazamiento

Energía Eólica: Conceptos Fundamentales

Coeficiente de Potencia ($C_p$)

El Coeficiente de Potencia ($C_p$) es la fracción de potencia total del viento que la turbina es capaz de convertir en energía eléctrica (hasta un máximo de 0,45, según el diseño). Su valor varía con la velocidad del viento, por lo que es necesario estimar la velocidad media del viento para calcular la potencia media anual producida por una turbina.

Límite de Betz

El Límite de Betz establece la relación entre la potencia total del viento y la potencia que puede extraer una turbina ideal. Una turbina ideal aprovecharía solamente el 59 % de la energía cinética del viento. Este valor corresponde al coeficiente de potencia máximo ($C_{p,max}$) para un factor de inducción axial $a=1/3$.

Curva de Potencia del Aerogenerador

Cada turbina eólica se caracteriza por una curva potencia-velocidad del viento. A partir de ella, se puede determinar cuánta energía puede producir la turbina situada en cualquier lugar del que se conozca la distribución de velocidades del viento.

En esta curva también se representan los siguientes puntos clave:

• Curva de una turbina ideal (Límite de Betz).
• Velocidad de arranque (entre 3 y 5 m/s en la mayoría de los aerogeneradores): Es la velocidad mínima que el viento debe tener para que el par de arranque sea capaz de iniciar la rotación de las aspas.
• Velocidad nominal: Es aquella a partir de la cual deja de cumplirse la ley del cubo de la velocidad, ya que se fija la velocidad de rotación para evitar velocidades superiores a la del sonido.
• Velocidad de desconexión (alrededor de 25 m/s): Es aquella en la que se produce el frenado de la turbina, cuando existe peligro por velocidades de viento excesivas.

Criterios de Emplazamiento de un Aerogenerador

1. Rugosidad (Perfil Vertical del Viento)

   Cuanto mayor sea la rugosidad del terreno, mayor ralentización experimenta el viento. En la industria eólica se suele hablar de clase de rugosidad o longitud de rugosidad cuando se trata de evaluar las condiciones de un paisaje.

   Una alta rugosidad (clase 3 o 4) se corresponde con un paisaje con muchos árboles o edificios, mientras que a nivel del mar la rugosidad es 0. El término longitud de rugosidad se refiere a la máxima distancia sobre el nivel del suelo a la que la velocidad del viento es nula.

2. Obstáculos y Turbulencias

   En áreas cuya superficie es muy accidentada o tras la situación de obstáculos (como edificios o formaciones rocosas), se producen turbulencias: flujos de aire muy irregulares, con remolinos y vórtices en las proximidades. Todo ello puede generar problemas como la imposibilidad de aprovechar totalmente la energía del viento, desgastes y hasta roturas en las turbinas eólicas.

   Además, corriente abajo de una turbina se producen torbellinos (efecto de la estela), lo que debe tenerse en cuenta al fijar la separación entre turbinas (mínimo el equivalente a 3 diámetros del rotor).

3. Efectos Aceleradores

   Cuando hay dos obstáculos en una zona expuesta al viento, su velocidad crece considerablemente entre ellos (efecto túnel), un fenómeno que puede ser utilizado estratégicamente al situar un aerogenerador.

   Asimismo, el viento es mayor en la cima de una colina (efecto colina), debido a que el flujo es comprimido en la cara de barlovento y se expande en la cara de sotavento.

4. Otros Parámetros

   Se deben considerar también las condiciones eólicas de la zona, las condiciones del terreno y la posibilidad de conexión a la red eléctrica, entre otros factores.

Energía Geotérmica

Requisitos para la Explotación de un Recurso Geotérmico

Un recurso geotérmico debe cumplir con tres características físicas esenciales para su explotación:

• La existencia de un acuífero, generalmente formado por rocas porosas que pueden almacenar o permitir el flujo de agua, y al que se pueda acceder.
• Una cubierta de roca que retenga el fluido geotérmico.
• Una fuente de calor.

Características de los Acuíferos

Dos características fundamentales de los acuíferos son la porosidad y la permeabilidad.

Porosidad

La porosidad es una medida de las cavidades existentes en la roca o entre rocas que están en contacto entre sí.

Permeabilidad

La permeabilidad determina la capacidad que tiene un acuífero para transferir agua. Un acuífero puede tener una porosidad alta (gran capacidad de almacenamiento de agua) pero no ser adecuado para su explotación si tiene una permeabilidad baja, es decir, si los poros en la roca no están interconectados entre sí.