Repensando las estructuras y turbinas de las torres eólicas

A primera vista, la torre de la turbina de viento que se eleva en el municipio sueco de Skara se parece a cualquier otra. Alcanza una altura de 105 metros y, en la parte superior, soporta un trío de grandes cuchillas giratorias. Pero a diferencia de la mayoría de las torres de turbinas de viento que están hechas de acero esta es de madera. Es la primera instalación comercial de estas características de la empresa de ingeniería sueca Modvion y podría guiar el futuro de la energía eólica.

Cuando se trata de energía renovable, la madera puede hacer que la energía eólica sea aún más verde al servir como material para las torres.  Además, la madera puede ayudar a que las turbinas eólicas sean más baratas y más potentes, proporcionando un incentivo económico además del ambiental, según explica el director ejecutivo de Modvion, Otto Lundman.

“Estas torres son más ligeras, más modulares y pueden ser más altas que las torres de acero”, destaca Lundman. Su compañía Modvion recibió fondos de la UE para desarrollar turbinas eólicas de gran altura con estructuras de madera en un proyecto que se ejecutó desde octubre de 2020 hasta septiembre de 2023. 

Europa investiga cómo el uso de la madera como estructura en los aerogeneradores pueden hacerlos más sostenibles, eficientes y rentables

La torre de Skara surgió del proyecto y está hecha de madera laminada de la fábrica Modvionacioness en Gotemburgo, ubicada a unos 130 kilómetros al suroeste. La construcción duró cerca de un año y la compañía eléctrica sueca Varberg Energi la puso en funcionamiento en febrero de 2024. 

“Construir y diseñar torres como esta requiere de grandes inversiones”, afirma Lundman, quien pone en valor la ayuda financiera recibida por parte de la Unión Europea para desarrollar esta tecnología.

La energía eólica es estratégica

La energía eólica ha crecido rápidamente en toda Europa en los últimos años. En 2022, cubrió el 16% de las necesidades eléctricas de la UE. En 2021, la eólica supuso el 37% de la electricidad generada a partir de fuentes renovables en la UE en la Unión Europea.

En 2023, Europa registró un récord con la instalación de 17 gigavatios de energía eólica, según la asociación industrial WindEurope. A pesar de ello, esta fuente energética debe expandirse aún más para que la UE cumpla los objetivos de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 55% en 2030 en comparación con los niveles de 1990 y aumentar la cuota de mercado de las energías renovables al 42,5% al final de la década de alrededor del 23% actualmente.

Para ayudar a lograr esos objetivos, se deben construir 30 gigavatios de turbinas eólicas cada año entre ahora y 2030. La idea en algunos círculos de la industria es que se necesitan nuevos diseños capaces de aumentar la rentabilidad, por lo que es vital impulsar los esfuerzos científicos para conseguirlo. 

“El sector eólico ha hecho un gran trabajo al disminuir gradualmente el coste de la energía en las últimas décadas,’ explica el doctor James Carroll, profesor asociado en la Universidad de Strathclyde en Reino Unido. “Pero las mejoras de costes en las turbinas tradicionales se han ralentizado. Es por eso que necesitamos buscar mejoras más radicales”.

Es aquí donde entran en juego las torres de madera para las turbinas de viento de la empresa Modvion. Y por tres razones principalmente. Una tiene que ver con la fuerza. La madera de chapa laminada utilizada por es un 55% más fuerte por peso que el acero utilizado tradicionalmente en las torres de turbinas eólicas, según la compañía. Modvion llama a su madera como “la fibra de carbono de la naturaleza”.

Otra razón para el optimismo es el peso. Una torre de madera es un tercio más ligera que otra similar de acero, por lo que es más fácil de transportar.

Por último, está la altura. Con los beneficios conseguidos en cuanto a fuerza y transporte de la madera, Modvion quiere construir torres más altas. “Cuanto más alto, más viento podremos obtener”, apunta Lundman.

Bases más amplias

Para comprender el desafío técnico de estas torres, hay que tener en cuenta que están construidas como un cono inverso: más ancho debajo y más estrecho en la parte superior. Cuanto más alta es la torre, más amplia debe ser la base. 

Tradicionalmente, esto se logra apilando cilindros de acero entre sí. Pero por encima de cierta altura de la torre, es prácticamente imposible transportar los cilindros sobre las carreteras debido a su tamaño y peso. 

Por el contrario, una construcción de madera utiliza paneles en forma de C, que están pegados para formar un cilindro. Esto hace que la construcción sea más modular y el envío de piezas sea mucho más fácil – un poco como el método de IKEA aplicado en torres de turbinas eólicas. 

El uso de estructuras de acero modulares similares sería ineficiente porque tendrían que ser atornilladas juntas, aumentando enormemente los costos, según Lundman.

Alivio climático

Más allá de las ventajas económicas de la madera están las ambientales. La madera es mejor para el medio ambiente que el acero. La producción de acero consume mucha energía e implica la quema de combustibles fósiles que emiten gases de efecto invernadero. 

“Al cambiar de una torre de acero a una de madera, reducimos en un 90% las emisiones derivadas de construir la torre”, detalla Lundman. Debido a que los bosques son importantes almacenadores de carbono, Modvion obtiene su madera de los que se gestionan de manera sostenible en Escandinavia. Las torres de madera también se pueden reciclar después de su desmantelamiento, ofreciendo otra ganancia verde.

Tras la financiación de la UE, la prioridad de la compañía es aumentar la producción. “Producir torres de madera como esta no se ha hecho antes a escala industrial”, recuerda Lundman. Por ello, explica que tuvieron que hacer máquinas para laminar ellos mismos porque, simplemente, no existían con el tamaño que necesitábamos para nuestros objetivos”.

Modvion espera contar con una fábrica con mayor volumen y capacidad de producción en 2027. El objetivo es suministrar el 10% del mercado mundial de energía eólica en una década. 

El papel de las turbinas

El éxito de la próxima generación de equipos de energía eólica no solo depende de las torres sino también de las turbinas. En esta línea, otro proyecto financiado por la Unión Europea ha reimaginado cómo podría ser una turbina eólica y cómo funcionaría. 

Llamado XROTOR, el proyecto ha examinado la viabilidad de una turbina de eje vertical combinada con rotores secundarios de eje horizontal en lugar de solo el eje horizontal convencional. Una turbina de eje vertical gira alrededor de su torre. 

“La idea se remonta a más de 10 años”, apunta William Leithead, profesor de sistemas y control en la Universidad de Strathclyde. Vieron que las turbinas eólicas de eje vertical sin rotores secundarios simplemente no podían funcionar de una manera económicamente eficiente y comenzaron a pensar en una solución.

William Leithead y el doctor James Carroll lideran XROTOR, el proyecto que finalizará este mes de abril de 2024 después de tres años y cuatro meses. Si bien las turbinas de eje vertical se pueden colocar más juntas, tienen una gran desventaja: sus palas giran más lentamente. Eso aumenta el accionamiento de la turbina, el tamaño del tren y el costo de la energía generada, lo que debilita el aspecto económico del diseño. “Básicamente, son demasiado costosos para la energía que generan”, lamenta Leithead.

Rotor en forma de X

Por ello y para dar respuesta a este hándicap, los investigadores de XROTOR adaptaron el concepto. Diseñaron una turbina de eje vertical con un rotor primario en forma de X que tiene turbinas de eje horizontal más pequeñas en las puntas. 

Los rotores secundarios giran muy rápido y generan la energía de la turbina. Este diseño podría combinar las ventajas de las turbinas tanto de eje vertical como de eje horizontal. “Puedes colocar estas turbinas más juntas en alta mar”, señala Leithead. “Las turbinas convencionales producen una estela de viento, lo que significa que no puedes ponerlas demasiado juntas o su rendimiento se verá afectado”.

En la actualidad, los parques eólicos están siendo empujados más lejos, en el mar, para encontrar áreas libres. Eso aumenta los costes porque las turbinas deben ser más resistentes al clima extremo y se deben colocar más cables. 

Si las turbinas pudieran colocarse más juntas se podría producir más electricidad más cerca de la costa. “El impacto podría ser enorme”, subraya Leithead, quien estima que podría registrar unos ahorros de costes del 20% en comparación con las turbinas de eje horizontal de tamaño similar.

Si bien es cierto que se han hecho simulaciones, el nuevo concepto aún no se ha construido y probado en un entorno real, por lo que los beneficios potenciales aún deben probarse. Leithead y sus colegas se están preparando para compartir los resultados de XROTOR y buscar financiación procedente de inversores privados y públicos.

“Necesitaremos al menos cuatro años, probablemente más, antes de que veamos este concepto en el mundo real”, afirma Leithead. “Estamos hablando de una nueva idea radical, pero eso es precisamente lo que hace que la investigación sea tan divertida”.