Energía eólica a pequeña escala en la granja

La electricidad generada por el viento está despertando el interés de agricultores, ganaderos y otros propietarios de tierras en todo el país. La energía eólica resulta atractiva por diversas razones, entre ellas su menor impacto ambiental en comparación con otros combustibles y sus posibles beneficios económicos. En algunos casos, la electricidad generada por el viento puede ayudar a los agricultores y ganaderos a reducir sus costos de energía. Esta publicación presenta la energía eólica a pequeña escala para ayudar a los agricultores y ganaderos a decidir si la energía eólica es la opción adecuada para ellos.

Esta publicación se basa en gran medida en el documento *Sistemas eólicos de pequeña escala: Guía para el consumidor estadounidense* (DOE/GO-102005-2095), elaborado por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL). El material de dicha publicación se reproduce y adapta aquí con permiso del NREL.

Las granjas y los ranchos, como este del suroeste de Minnesota, pueden usar la electricidad generada por el viento para reducir sus facturas de servicios públicos. Foto: Warren Gretz, NREL

Introducción

Los sistemas de energía eólica convierten la fuerza del viento en energía eléctrica. La máquina que realiza esta conversión se llama turbina eólica (a veces también se le conoce como molino de viento). Los sistemas de energía eólica son la tecnología de más rápido crecimiento en el sector energético: en los últimos 10 años, el crecimiento de la energía eólica ha sido, en promedio, de más del 25 % anual a nivel mundial (Asociación Mundial de Energía Eólica, 2012). Los sistemas eólicos pequeños pueden contribuir de manera importante a satisfacer las necesidades energéticas de nuestro país. Al igual que ocurre con la tendencia general de la energía eólica a nivel mundial, se están instalando cada vez más sistemas eólicos pequeños, con una tasa de crecimiento estimada del 35 % (Asociación Mundial de Energía Eólica, 2012).

Muchas zonas rurales cuentan con velocidades de viento suficientes para que la energía eólica sea una alternativa atractiva, y las granjas y ranchos suelen poder instalar un sistema de energía eólica a pequeña escala sin que ello afecte significativamente su capacidad para cultivar y pastorear ganado. La mayoría de las granjas y ranchos cuentan con suficiente terreno abierto (por lo general, un acre o más) para poder utilizar una turbina eólica que les proporcione una parte significativa de su electricidad a partir de la energía eólica.

¿Qué es la energía eólica «a pequeña escala»?

La mayor parte de la electricidad eólica del mundo se genera en plantas de energía a gran escala conectadas a la red eléctrica. El tamaño de los aerogeneradores en estas plantas eólicas ha aumentado desde máquinas con un diámetro de rotor de 12 metros (con una capacidad de 20 a 30 kilovatios) en la década de 1980 hasta máquinas con un diámetro de rotor de 126 metros (de 4 a 6 megavatios) en la actualidad. Por lo general, se considera que las turbinas eólicas modernas de «pequeña escala» tienen una capacidad inferior a 50 kilovatios, aunque hay quienes consideran que las turbinas de 300 kilovatios son «pequeñas». La definición es arbitraria, pero a los efectos de esta publicación, un sistema que pueda estar sujeto a «medición neta» y suministrar energía a una casa, una granja o un sistema de riego puede considerarse «pequeño». Consulte el recuadro de texto de la página 8 para obtener más información sobre la medición neta.

¿Por qué debería elegir la energía eólica?

La energía eólica puede ser un sistema de energía renovable a pequeña escala rentable. Dependiendo del recurso eólico y del consumo de electricidad de una granja, un sistema eólico de pequeña escala puede reducir las facturas de luz, ayudar a evitar los altos costos que implica extender las líneas eléctricas de la red pública a lugares remotos, prevenir las interrupciones de energía y proporcionar una fuente de electricidad no contaminante.

¿Cómo funcionan las turbinas eólicas?

El viento se genera por el calentamiento desigual de la superficie terrestre por parte del sol. Las zonas frías y cálidas generan diferencias de presión en la atmósfera, y el aire se desplaza de las zonas de mayor presión hacia las de menor presión, lo que da lugar a los vientos. Las turbinas eólicas convierten la energía cinética del viento en energía mecánica que acciona un generador para producir electricidad. Las palas de las turbinas eólicas están diseñadas aerodinámicamente para capturar la mayor cantidad de energía posible del viento. El viento hace girar las palas, lo que a su vez hace girar un eje conectado a un generador que produce electricidad.

¿Es la energía eólica una opción viable para mí?

Un sistema de energía eólica de pequeño tamaño puede constituir una fuente de electricidad práctica y económica si:

• Tu propiedad cuenta con un buen potencial eólico
• Tienes al menos un acre de terreno en una zona rural
• Las normas de zonificación o los convenios locales permiten la instalación de turbinas eólicas
• Tienes tarifas elevadas de energía eléctrica (kWh)
• Tu propiedad se encuentra en una zona remota que no cuenta con fácil acceso a las redes de servicios públicos
• Es común que sufras cortes de luz de la red eléctrica
• Te sientes cómodo con las inversiones a largo plazo

Es importante analizar tus razones para querer comprar un sistema de energía eólica. Si tus razones son puramente económicas, podrías sentirte decepcionado, ya que los sistemas de energía eólica pueden tener largos períodos de recuperación de la inversión. Si también te interesan beneficios como la protección del medio ambiente, la independencia, la confiabilidad o la seguridad energética, es posible que el costo y el período de recuperación de la inversión te parezcan perfectamente aceptables. Asegúrate de comprender completamente los resultados que puedes esperar, así como los posibles obstáculos, como las leyes de zonificación, la capacidad de generación, los requisitos de mantenimiento y la cobertura de la garantía.

¿Hay suficiente viento en mi emplazamiento?

¿Sopla el viento con la fuerza y la constancia suficientes en tu ubicación como para que un sistema de turbina eólica pequeña resulte rentable? Esa es una pregunta clave y una a la que rara vez es fácil responder. El recurso eólico puede variar significativamente en un área de apenas unas pocas millas debido a las influencias del terreno local en el flujo del viento. Sin embargo, hay medidas que puedes tomar para ayudarte a responder esta pregunta.

Una forma útil e indirecta de medir el recurso eólico es observar la vegetación. Los árboles, especialmente las coníferas o los árboles de hoja perenne, pueden sufrir deformaciones permanentes a causa de los vientos fuertes. Esta deformación, conocida como «flagging», puede utilizarse para estimar la velocidad promedio del viento en una zona. Para obtener más información sobre el «flagging», consulta A Siting Handbook for Small Wind Energy Conversion Systems, de H. Wegley, J. Ramsdell, M. Orgill y R. Drake. Los sitios con «flagging» de moderado a completo pueden ser candidatos razonablemente buenos para una turbina eólica económica, y puede valer la pena invertir tiempo y dinero en buscar datos históricos de viento para esas áreas.

Figura 1. El «flagging» —el efecto de los vientos fuertes sobre la vegetación de la zona— puede ayudar a determinar las velocidades del viento en la zona. Fuente: Windustry

Un mapa de recursos eólicos puede ayudar a estimar el potencial eólico de una región. En el sitio web del NREL se pueden encontrar mapas, herramientas y datos sobre los recursos eólicos de cada estado. Estos mapas proporcionan estimaciones de la velocidad del viento a 30 metros de altura, lo cual resulta útil para identificar oportunidades para la instalación de turbinas eólicas pequeñas.

En el Atlas de Recursos Eólicos de los Estados Unidosdel NREL. Tenga en cuenta que los mapas eólicos solo ofrecen estimaciones generales: la velocidad del viento en un sitio potencial para una turbina eólica no se puede determinar únicamente con base en los mapas. Los mapas se basan principalmente en datos de satélites meteorológicos y modelos computacionales. Para obtener datos sobre los recursos eólicos específicos de un sitio, deberá instalar una estación meteorológica que incluya un registrador de datos. Las estaciones meteorológicas pequeñas, que cuestan unos pocos cientos de dólares, le darán una buena idea de las características del viento en una ubicación potencial para una turbina.

En general, las velocidades medias del viento más altas en los Estados Unidos se registran a lo largo de las costas, en las crestas de las montañas y en las Grandes Llanuras; sin embargo, muchas zonas cuentan con recursos eólicos lo suficientemente fuertes como para alimentar de manera rentable una turbina eólica pequeña. Las estimaciones de recursos eólicos que aparecen en el mapa de la Figura 2 se aplican, en general, a características del terreno que están bien expuestas al viento, como llanuras, cimas de colinas y crestas de montañas. Otra forma de estimar el recurso eólico es obtener información sobre la velocidad promedio del viento de un aeropuerto cercano. El Centro Nacional de Datos Climáticos recopila datos de los aeropuertos de EE. UU. y
ofrece resúmenes de datos eólicos que pueden adquirirse. Los resúmenes de datos eólicos de casi 1,000 aeropuertos de EE. UU. también se incluyen en Atlas de Recursos Eólicos de los Estados Unidos.

Lo primero es lo primero: haz que los edificios de tu granja sean lo más eficientes energéticamente posible

Antes de elegir un sistema eólico para tu granja o rancho, reduce tu consumo de energía tanto como sea posible. El ahorro de energía casi siempre es más rentable que los sistemas de energía renovable y podría reducir el tamaño del sistema de energía eólica que necesitas. Desde el aislamiento de las paredes hasta las bombillas, hay muchas formas de hacer que los edificios de la granja sean más eficientes energéticamente.

• Reduce las necesidades de calefacción y aire acondicionado hasta en un 30 % con solo invertir unos pocos cientos de dólares en productos adecuados de aislamiento y climatización.
• Ahorra dinero y mejora tu comodidad mediante el mantenimiento adecuado y la modernización de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado.
• Instala ventanas de doble acristalamiento, rellenas de gas, con recubrimientos de baja emisividad (low-e) para reducir la pérdida de calor en climas fríos y recubrimientos espectralmente selectivos para reducir la ganancia de calor en climas cálidos.
• Reemplaza las luces en las áreas de mayor uso por iluminación fluorescente de bajo consumo. Reemplazar las bombillas incandescentes por bombillas fluorescentes compactas, por ejemplo, puede ahorrar dos tercios del costo de la energía que se gasta en mantener esas luces encendidas.
• Cuando compres productos como sistemas de iluminación, ventanas y sistemas de calefacción y aire acondicionado, busca la etiqueta ENERGY STAR. Los productos ENERGY STAR han sido reconocidos por la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. y el Departamento de Energía de EE. UU. como los más eficientes energéticamente dentro de sus categorías.

Sin embargo, hay que tener cuidado, ya que el terreno local y otros factores pueden hacer que la velocidad del viento registrada en un aeropuerto difiera de la de otros lugares cercanos. Además, las velocidades del viento en los aeropuertos se miden generalmente a alturas de solo entre 20 y 33 pies (6 a 10 metros) sobre el suelo. Las velocidades promedio del viento aumentan con la altura y pueden ser entre un 15 % y un
25 % mayores a la altura típica del eje de una turbina eólica pequeña, de 80 pies (24 metros), que las medidas a la altura de los anemómetros de los aeropuertos.

Figura 2: Mapa eólico de EE. UU. Fuente: NREL

El monitoreo directo mediante un sistema de medición de recursos eólicos en un emplazamiento ofrece la visión más clara del recurso disponible. Una buena guía general sobre este tema es el Manual de evaluación de recursos eólicos. Los sistemas de medición del viento están disponibles a partir de tan solo 150 dólares para estaciones meteorológicas residenciales de bajo costo con capacidad de registro de datos, pero el equipo profesional de evaluación eólica puede costar 8,500 dólares. Este gasto puede estar justificado o no, dependiendo de la naturaleza exacta del sistema eólico de pequeña escala propuesto. El equipo de medición debe colocarse a una altura suficiente para evitar la turbulencia generada por árboles, edificios y otros obstáculos. Las lecturas más útiles son las que se toman a la altura del rotor de la turbina eólica («altura del buje»). Si ya existe un sistema de turbina eólica pequeña en la zona, es posible que puedas obtener información sobre la producción anual del sistema o las velocidades del viento en su ubicación.

Medición del recurso eólico

Las estaciones meteorológicas para uso doméstico se pueden adquirir a través de diversos proveedores. Estas estaciones cuentan con capacidad para registrar datos y pueden conectarse a una computadora de uso doméstico. Puedes utilizar los datos que proporciona una estación meteorológica para calcular la producción de energía de una turbina eólica específica, o los proveedores de turbinas eólicas pueden usarlos para estimar la producción de energía de la máquina que tienen a la venta. Por último, si desea obtener una evaluación independiente del viento en su emplazamiento a un costo razonable, puede comunicarse con el Centro Nacional de Tecnología Apropiada (consulte la sección «Recursos adicionales»). La mayoría de las estaciones meteorológicas de uso residencial recogen datos a solo dos metros sobre el suelo. Es mejor recoger datos desde una altura de montaje mayor, de al menos 10 metros (33 pies). Alcanzar esa altura implica invertir en un tubo de tamaño adecuado y en una estructura de soporte. Correlacione los datos a 10 metros con los datos del aeropuerto local para tener una idea de cuáles han sido las velocidades del viento en su ubicación a largo plazo.

Uso de datos eólicos

Para analizar los datos eólicos, recopila una serie temporal de valores de datos eólicos. Normalmente, estos son valores con intervalos de 10 o 15 minutos. Los datos se pueden consultar en un archivo de texto, pero resulta más útil abrirlos en una hoja de cálculo o en una aplicación de base de datos. NRG Systems ofrece un paquete de software gratuito para ayudar a analizar los datos eólicos (recopilados con su registrador de datos), y existen otros paquetes de software disponibles, como Windographer, que pueden ayudar en el análisis de los datos eólicos. Si prefieres un análisis profesional, NCAT puede revisar los datos eólicos a un costo razonable.

El software (o una hoja de cálculo o una aplicación de base de datos) puede generar dos gráficos que son útiles para determinar si tu sitio es adecuado para una turbina eólica: un diagrama de frecuencia y una rosa de los vientos. El diagrama de frecuencia es un resumen del tiempo que el viento sopla a cada velocidad específica durante el período en el que se recopilaron los datos. La rosa de los vientos es un indicador de cuánto tiempo sopla el viento desde cada dirección.

Tabla 2: Ejemplo de datos brutos sobre el viento. Fuente: NCAT

Cuestiones de zonificación

Antes de invertir en un sistema de energía eólica, asegúrate de investigar los posibles obstáculos. Algunas jurisdicciones, por ejemplo, restringen la altura de las estructuras permitidas en zonas residenciales, aunque podrían concederse excepciones. La mayoría de las ordenanzas de zonificación establecen un límite de altura de 35 pies. Infórmate sobre las restricciones de zonificación en tu área llamando al inspector de construcción local, a la autoridad encargada de otorgar permisos o a la junta de planificación. Como mínimo, comunícate con la comisión del condado para preguntar qué requisitos, si los hay, existen a nivel del condado. Ellos pueden indicarte si necesitarás obtener un permiso de construcción y proporcionarte una lista de requisitos. Además de los asuntos de zonificación, los vecinos podrían oponerse a una turbina eólica que bloquee su vista, o podrían estar preocupados por el ruido. La mayoría de las inquietudes relacionadas con la zonificación y la estética pueden resolverse proporcionando datos objetivos. Para obtener más información sobre la obtención de permisos, consulta el manual «Permitting Small Wind Turbines: A Handbook»(Obtención de permisos para turbinas eólicas pequeñas: un manual).

¿Quiero conectarme a la red eléctrica?

Si la carga que deseas abastecer con una turbina eólica ya está conectada a la red eléctrica (“conectada a la red”), es mucho más económico y conveniente utilizar una turbina eólica conectada a la red. Si el sitio tiene problemas de cortes de energía, las baterías pueden proporcionar un suministro de energía ininterrumpido, mientras que el sistema sigue disfrutando de los beneficios de la energía suministrada por la red. Para una carga que se encuentra alejada de la red eléctrica —por ejemplo, un sistema de riego para ganado—, una turbina eólica y unas baterías pueden proporcionar energía eléctrica sin necesidad de conectarse a la red.

Sistemas independientes

Los sistemas autónomos (sistemas que no están conectados a la red eléctrica pública) suelen utilizar baterías para almacenar el exceso de energía y usarla cuando no hay viento. Necesitan un controlador de carga para evitar que las baterías se sobrecarguen. Las baterías de ciclo profundo, como las que se usan en los carritos de golf, pueden descargarse y recargarse al 80 % de su capacidad cientos de veces, lo que las convierte en una buena opción para los sistemas remotos de energía renovable. Las baterías automotrices están diseñadas para proporcionar una gran cantidad de energía durante un período corto y no están hechas para descargar la mayor parte de la energía que almacenan. Estas baterías de ciclo superficial no deben usarse en sistemas de energía renovable debido a su corta vida útil en operaciones de ciclo profundo.

Las turbinas eólicas pequeñas generan electricidad de corriente continua (CC). En sistemas muy pequeños, los aparatos de CC funcionan directamente con las baterías. Los aparatos estándar que utilizan corriente alterna (CA) doméstica convencional requieren un inversor para convertir la electricidad de CC de las baterías en CA. Aunque el inversor reduce ligeramente la eficiencia general del sistema, permite que una vivienda o un edificio agrícola se conecte a la red de CA, lo cual es una ventaja indudable ante las instituciones crediticias, los funcionarios encargados de hacer cumplir los códigos eléctricos y los futuros compradores.

Por razones de seguridad, las baterías deben mantenerse alejadas de las áreas habitables y de los aparatos electrónicos, ya que contienen sustancias corrosivas y explosivas. Las baterías de plomo-ácido también deben protegerse de las temperaturas extremas. Las baterías deben guardarse en una caja que cuente con ventilación hacia el exterior.

Existen limitaciones prácticas en cuanto al tamaño de las baterías. Para necesidades de energía superiores a unos 10 kW que requieran un suministro confiable, un generador que utilice combustible como respaldo suele ser una mejor opción que las baterías. Existen combinaciones prácticamente ilimitadas de energía eólica, energía solar, baterías y generadores que pueden utilizarse para proporcionar energía para cualquier uso en la granja. En resumen, si quieres vivir «fuera de la red», puedes hacerlo; tu único límite es tu presupuesto.

Sistemas conectados a la red eléctrica

Los sistemas eólicos de pequeña escala conectados a la red de distribución eléctrica se denominan sistemas conectados a la red. Estos sistemas requieren una unidad de acondicionamiento de energía (inversor), que hace que la salida de la turbina sea eléctricamente compatible con la red eléctrica. Por lo general, no se necesitan baterías. Una turbina eólica conectada a la red puede reducir su consumo de electricidad suministrada por la empresa de servicios públicos para iluminación, electrodomésticos y calefacción eléctrica. Si la turbina no puede proporcionar la cantidad de energía que necesita, la empresa de servicios públicos compensa la diferencia. Cuando el sistema eólico produce más electricidad de la que requiere el hogar, el excedente se envía o se vende a la empresa de servicios públicos. Los sistemas conectados a la red pueden ser prácticos si se dan las siguientes condiciones:

• Vives en una zona donde la velocidad media anual del viento es de al menos 10 mph (4,5 m/s).
• La electricidad que suministran las empresas de servicios públicos es cara en tu zona (entre 10 y 15 centavos por kilovatio-hora).
• Los requisitos de la empresa de servicios públicos para conectar tu sistema a su red eléctrica no son prohibitivamente caros.
• Existen buenos incentivos para la venta del excedente de electricidad o para la compra de turbinas eólicas.

¿Puedo vender mi excedente de electricidad a la empresa de servicios públicos?

Las regulaciones federales (específicamente, la Ley de Políticas Regulatorias de Servicios Públicos de 1978, o PURPA) exigen que las empresas de servicios públicos se conecten a los pequeños sistemas de energía eólica y les compren energía. Sin embargo, debes comunicarte con tu empresa de servicios públicos antes de conectarte a sus líneas de distribución para abordar cualquier inquietud relacionada con la calidad de la energía y la seguridad. Ten en cuenta que algunas empresas de servicios públicos se muestran más receptivas a la interconexión que otras. Es importante que te comuniques con tu
empresa de servicios públicos desde el inicio de tu proceso de planificación para conocer sus políticas de interconexión y los costos estimados. La Asociación Estadounidense de Energía Eólica es una buena fuente de información sobre los requisitos de interconexión de las empresas de servicios públicos.

Figura 5. Un aerogenerador conectado a la red puede reducir el consumo de electricidad suministrada por la empresa de servicios públicos. Fuente: Departamento de Energía de EE. UU.

¿Qué tamaño de turbina eólica necesito?

Si estás conectado a la red eléctrica, el tamaño del aerogenerador que debas instalar depende de la tarifa que la empresa de servicios públicos te acredite por la energía producida, así como de otros factores que varían de una empresa a otra. ANTES de gastar dinero, pregunta a tu empresa de servicios públicos cuáles son sus normas para la interconexión y para recibir el pago por el exceso de energía que tu aerogenerador pueda producir. Asegúrate de entender todos los costos de la empresa de servicios públicos y lo que esta te pagará o te acreditará.

Para aplicaciones conectadas a la red eléctrica, revisa tu historial de facturas de luz para tener una idea del consumo promedio de energía. Pide a tu proveedor de servicios públicos el historial de los últimos dos años y calcula el promedio. Si a la carga que quieres abastecer se le aplica un cargo por demanda, tu tarifa de energía será más baja, y esto afectará el período de recuperación de la inversión en la turbina eólica (las turbinas eólicas
no afectan el cargo por demanda, solo el cargo por energía). Ten en cuenta que el ahorro de energía suele ser mucho más económico que cualquier sistema de generación; por lo tanto, antes de invertir en un aerogenerador, asegúrate de estar utilizando la energía eléctrica de la manera más eficiente posible. La eficiencia se paga de dos maneras: primero, reduce tu factura de luz y, segundo, te permite arreglártelas con un aerogenerador más pequeño y menos costoso. Las figuras 6 y 7 muestran un ejemplo de historial de consumo de energía eléctrica y de demanda durante dos años.

Medición neta

Los generadores interconectados a la red eléctrica pueden estar sujetos a medición neta. Esto significa que el generador se conecta al panel de interruptores del cliente (del lado del cliente del medidor eléctrico) y, si la energía generada es mayor que la carga, la energía circula en sentido contrario a través del medidor y lo hace girar al revés, restando la generación del consumo registrado por el medidor. La idea básica de la medición neta es que la energía que generas simplemente se “compensa” con la energía que consumes. Existen varios métodos para medir la energía en los sistemas de medición neta. La forma más sencilla es contar con un solo medidor de energía (kWh) que pueda girar en cualquier dirección. Al cliente se le factura la energía neta consumida en un período de facturación determinado. Si generas más energía de la que consumes en un período de facturación, es posible que te paguen por ella, que te otorguen un crédito que puedas transferir a períodos posteriores o que la pierdas. Cada empresa de servicios públicos tiene su propia forma de administrar la medición neta, así que comunícate con la tuya para entender cómo funciona antes de comprar cualquier equipo.

Si calculamos el promedio de consumo del ejemplo de la Figura 6, obtenemos un consumo energético promedio de 64 kWh al día. Para cubrir toda la energía utilizada en este ejemplo, necesitaríamos una turbina eólica capaz de producir un promedio de 64 kWh al día. Esta instalación de ejemplo también cuenta con un medidor de demanda, por lo que se le cobra mensualmente por la potencia máxima utilizada en cualquier intervalo de 15 minutos durante el mes (véase la Figura 7).

Si no vas a estar conectado a la red eléctrica, debes entender que tendrás que proporcionar tanto la potencia eléctrica como la energía eléctrica para todo lo que alimente tu sistema de generación fuera de la red: ¡tú eres la empresa de servicios eléctricos! Un diseño adecuado del sistema es fundamental para garantizar que haya electricidad disponible para tus cargas cuando sea necesario, ya sea para un sistema remoto de abrevadero para ganado (de 1 a 3 kW, tal vez con baterías, tal vez sin ellas), o para tu casa y las dependencias de tu granja (de 10 a 20 kW, tal vez con baterías, tal vez con un generador de respaldo). En general, para abastecer cargas fuera de la red superiores a unos 20 kW, se recomienda un sistema híbrido que utilice tanto una turbina eólica como un generador a combustible. Se pueden construir sistemas híbridos de diésel y energía eólica para abastecer instalaciones con cargas de varios megavatios. Si nuestra instalación de ejemplo fuera a ser abastecida por un sistema eléctrico fuera de la red, este tendría que ser capaz de proporcionar 13 kW de potencia eléctrica en cualquier momento y también tendría que suministrar un promedio de 64 kWh de energía eléctrica al día.

Cómo elaborar una lista de cargas y consumo de energía para el dimensionamiento de un sistema autónomo

Haz una lista completa de todas las cargas eléctricas que quieres poder utilizar y, luego, calcula cuánto tiempo funcionará cada una de ellas al día. Esta “lista detallada” de cargas eléctricas es muy importante, ¡así que tómate tu tiempo! Existen versiones en línea de este tipo de tabla.

1. La intensidad nominal indicada en la placa de identificación es la mayor intensidad que el dispositivo consumirá jamás según su diseño. Esta intensidad te dará un valor ligeramente superior al de la potencia en vatios.
2. Si la potencia del equipo no figura en la placa de identificación, multiplica el voltaje por la intensidad para calcular la potencia.
3. Para cargas trifásicas, multiplica el voltaje por la intensidad y luego multiplica ese resultado por 1,73 para calcular la potencia en vatios. Por lo general, todas las cargas residenciales en los EE. UU. son monofásicas.
4. Algunos aparatos se encienden y apagan de forma cíclica cuando funcionan con normalidad. Debes calcular cuántas horas funciona el aparato tomando esto en cuenta, o bien puedes conectarlo a un «Kill-A-Watt» u otro medidor de consumo para medir su consumo de energía en un día.
5. Algunos aparatos pueden tener más de una carga eléctrica. Por ejemplo, un calentador de agua eléctrico suele tener dos resistencias de 4,500 vatios. En este formulario, debes tomar en cuenta la carga TOTAL que podría activarse en CUALQUIER momento.

¿Cuánta energía generará mi sistema?

Esta turbina eólica de 1 kW, fabricada por World Power Technology, Inc., se utiliza para bombear agua para 120 cabezas de ganado en un rancho de Texas. Foto: World Power Technology

Como se mencionó anteriormente, la mayoría de los fabricantes estadounidenses clasifican sus turbinas según la cantidad de energía que pueden producir de manera segura a una velocidad de viento determinada. Incluso un pequeño aumento en la velocidad del viento da lugar a un gran aumento en la producción de energía. Es por eso que una torre más alta aumentará la productividad de cualquier turbina eólica al permitirle acceder a velocidades de viento más altas, como se muestra en la Figura 9.

Cuanto más grande es el rotor, más energía puede capturar un aerogenerador, como se muestra en la Figura 10. La densidad del aire varía ligeramente con la temperatura del aire y con la altitud. Las especificaciones de los aerogeneradores se basan en condiciones estándar de 59 °F (15 °C) al nivel del mar. Se debe aplicar una corrección de densidad para altitudes más elevadas, como se muestra en la Figura 11. Por lo general, no es necesario aplicar una corrección de temperatura para predecir el rendimiento a largo plazo de un aerogenerador.

El mejor indicador del rendimiento de un aerogenerador es la producción anual de energía. La diferencia entre potencia y energía es que la potencia (kilovatios [kW]) es la tasa a la que se consume la energía eléctrica, mientras que la energía (kilovatios-hora [kWh]) es la cantidad consumida. Una estimación de la producción anual de energía de un aerogenerador específico, expresada en kWh/año, es la mejor manera de determinar si el aerogenerador y la torre producirán suficiente energía eléctrica para satisfacer tus necesidades.

Los fabricantes o distribuidores de aerogeneradores pueden ayudar a estimar la producción de energía prevista. Para ello, utilizarán un cálculo basado en la curva de potencia específica del aerogenerador, la velocidad media anual del viento en el emplazamiento, la altura de la torre, la elevación y (si está disponible) la distribución de frecuencias del viento —una estimación del número de horas que soplará el viento a cada velocidad durante un año promedio—. Póngase en contacto con un fabricante o distribuidor de turbinas eólicas para que le ayude con este cálculo. A continuación se muestra un ejemplo de cálculo de la producción de energía.

Para obtener una estimación preliminar del rendimiento de un aerogenerador en particular, utiliza la fórmula:

Figura 9. Aumento de la potencia eólica en función de la altura de la torre

AEO = 0,01328 D² V³
Donde:
AEO = Producción anual de energía, kWh/año
D = Diámetro del rotor, pies
V = Velocidad media anual del viento, mph

« Wind Powering America’s Small Wind Economic Model» es una herramienta en forma de hoja de cálculo que puede ayudarte a analizar la viabilidad económica de un sistema eólico de pequeña escala y a decidir si la energía eólica es una opción adecuada para ti. La herramienta solicita información sobre cómo vas a financiar el sistema, las características de tu emplazamiento y las propiedades del sistema que estás considerando. A continuación, proporciona una estimación sencilla del plazo de recuperación de la inversión en años.

Ejemplo de cálculo de la producción basado en la curva de potencia y el diagrama de frecuencia

Ahora que conoces las cargas y los requisitos de energía, puedes calcular el tamaño de la turbina eólica necesario para generar esa cantidad de energía. Los fabricantes de turbinas eólicas proporcionan la producción anual de energía esperada de sus turbinas en función de la velocidad media anual del viento. A esto se le llama «producción anual de energía» y es una estimación basada en la velocidad media del viento y que asume una «distribución típica de frecuencias del viento de Rayleigh», por lo que debe tomarse con cierto escepticismo. Es mejor obtener una «curva de potencia» de la turbina eólica y combinar esta información con los datos de frecuencia obtenidos de mediciones reales del viento. La curva de potencia muestra cuánta potencia producirá la máquina a una determinada velocidad del viento.

Figura 10. Aumento de la potencia de la turbina en función del diámetro del rotor. Fuente: «Small Wind Electric Systems – A U.S. Consumer’s Guide», Departamento de Energía de EE. UU.

Si volvemos a analizar nuestra instalación de ejemplo, que consumía 64 kWh al día, podemos ver que este aerogenerador es demasiado grande. El aerogenerador generará aproximadamente 40 100 kWh al año a la velocidad media del viento más baja de la tabla, pero nuestra instalación solo consume 23 360 kWh al año. Necesitamos buscar un aerogenerador más pequeño.

La turbina eólica Endurance S-343 generará aproximadamente 23 400 kWh a una velocidad media anual del viento de 8,5 metros por segundo (18,7 mph), por lo que, si contamos con un lugar muy ventoso, esta turbina eólica se acercará bastante a cubrir las necesidades energéticas de nuestra instalación de ejemplo. Ahora utilizamos el diagrama de frecuencia de velocidad del viento (Figura 4) de nuestro emplazamiento para ver si contamos con suficiente viento. Primero, creamos una tabla que muestra el porcentaje de tiempo en que el viento sopla a una velocidad determinada y, luego, ingresamos la potencia que generará la turbina a esa velocidad del viento. A partir de estas dos cifras, podemos calcular la energía que generará la turbina a cada velocidad del viento, multiplicada por el tiempo que se mantenga esa velocidad. Las sumamos todas y obtenemos la producción anual en nuestro emplazamiento a la altura del sensor (en este caso, 40 metros o 130 pies). En nuestro ejemplo, obtenemos un total de 17 772 kWh al año.

Figura 11: Variación de la densidad del aire en función de la altitud. Fuente: Sistemas eólicos de pequeña escala: guía para el consumidor estadounidense, Departamento de Energía de EE. UU.

Si los datos del viento se recopilaron a una altura diferente a la altura del eje de la turbina eólica, entonces los datos deben corregirse para que representen las velocidades del viento a las que estará expuesta la turbina. Es común contar con datos de una altura menor que la altura de la turbina. Podemos utilizar la siguiente relación para calcular la velocidad del viento a una altura determinada a partir de la velocidad del viento medida en ese lugar: La cizalladura del viento se puede expresar como
v / v° = (h / h°)α
donde
v = la velocidad a la altura h (m/s)
v° = la velocidad a la altura h° (m/s)
α = el exponente de cizalladura del viento
El exponente de cizalladura del viento varía según el terreno. El uso de una hoja de cálculo ayuda a calcular la velocidad del viento a la altura del aerogenerador.

¿Cuáles son los componentes básicos de un sistema eólico eléctrico de pequeño tamaño?

Los sistemas de energía eólica a escala doméstica suelen estar compuestos por un rotor, un generador o alternador montado en un bastidor, una cola, una torre, el cableado y los componentes del «resto del sistema» (controladores, inversores y/o baterías). A través de las palas giratorias, el rotor capta la energía cinética del viento y la convierte en movimiento giratorio para accionar el generador.

Turbina eólica

La mayoría de las turbinas que se fabrican hoy en día son máquinas de eje horizontal y de orientación contra el viento (el rotor está orientado hacia el viento) con dos o tres palas, que por lo general están hechas de un material compuesto como la fibra de vidrio. Estas máquinas están diseñadas para que las turbinas giren alrededor de un eje horizontal. El rotor puede estar contra el viento o a favor del viento con respecto a la torre. Las turbinas eólicas pequeñas suelen tener un sistema de orientación pasivo, lo que significa que el rotor se coloca perpendicular al viento de manera natural; las máquinas de orientación a barlovento utilizan una cola para mantener el rotor orientado hacia el viento, mientras que las de orientación a sotavento se mantienen naturalmente perpendiculares al viento. Las turbinas eólicas de más de 25 kW, por lo general, cuentan con un sistema de orientación activo, en el que la máquina tiene sensores de dirección del viento que controlan los motores de orientación para mantener el rotor orientado hacia el viento.

La cantidad de energía que producirá una turbina depende principalmente del diámetro de su rotor. El diámetro del rotor define su «área barrida», es decir, la cantidad de viento que intercepta la turbina. El bastidor de la turbina es la estructura a la que se fijan el rotor, el generador y la cola. La cola mantiene a la turbina orientada hacia el viento.

La cantidad de energía que producirá una turbina depende principalmente del diámetro de su rotor. El diámetro del rotor define su «área barrida», es decir, la cantidad de viento que intercepta la turbina. El bastidor de la turbina es la estructura a la que se fijan el rotor, el generador y la cola. La cola mantiene a la turbina orientada hacia el viento.

Torre

Dado que la velocidad del viento aumenta con la altura, la turbina se instala en una torre. En general, cuanto más alta es la torre, más energía puede generar el sistema eólico. La torre también eleva la turbina por encima de las turbulencias del aire causadas por obstáculos como colinas, edificios y árboles. Como regla general, la parte inferior de las palas del rotor debe estar al menos a 30 pies (9 metros) por encima de cualquier obstáculo que se encuentre a menos de 300 pies (90 metros) de la torre. Las inversiones relativamente pequeñas para aumentar la altura de la torre pueden generar tasas de rendimiento muy altas en la producción de energía. Por ejemplo, elevar un generador de 10 kW
de una torre de 60 pies de altura a una de 100 pies aumenta el costo del sistema en aproximadamente un 10 %, pero puede incrementar la producción de energía en un 29 %.

Máquina eólica de eje horizontal Bergey XL-1. Foto: NREL www.nrel.gov/data/pix/Jpegs/11238.jpg

No se recomienda instalar turbinas en los techos. Todas las turbinas eólicas vibran y transmiten esas vibraciones a la estructura en la que están instaladas. Esto puede provocar ruido y problemas estructurales en el edificio. Además, dado que el techo no se encuentra a gran altura sobre el suelo y es probable que esté rodeado de otros edificios y árboles, una turbina eólica instalada en el techo puede quedar expuesta a una turbulencia excesiva que acortará su vida útil.

Sistema de equilibrio

Las piezas necesarias además de la turbina y la torre, o las piezas del «balance del sistema», dependerán de la aplicación. La mayoría de los fabricantes pueden ofrecer un paquete de sistema que incluya todas las piezas necesarias para una aplicación específica. Por ejemplo, las piezas requeridas para un sistema de bombeo de agua
serán muy diferentes a las que se necesitan para una aplicación residencial. Los componentes del resto del sistema también dependerán de si el sistema está conectado a la red eléctrica, es autónomo (independiente de la red pública) o forma parte de un sistema híbrido
(un sistema de energía que utiliza más de una fuente de energía; por ejemplo, eólica y fotovoltaica). Para una aplicación residencial conectada a la red,
los componentes del sistema pueden incluir un controlador, baterías de almacenamiento, una unidad de acondicionamiento de energía (inversor) y cableado.

¿Cuánto cuestan los sistemas eólicos?

Según el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, los sistemas eólicos de pequeño tamaño cuestan entre 3,000 y 5,000 dólares por cada kilovatio de capacidad de generación, dependiendo de su tamaño. Los sistemas eólicos más pequeños son más costosos por kilovatio de capacidad instalada. La energía eólica se vuelve más rentable a medida que aumenta el tamaño de la turbina. Aunque las turbinas pequeñas tienen un costo inicial menor, son proporcionalmente más caras por unidad de energía producida.

Tipos de torres

Torre monopilar. Foto: Windustry.org

Fuente: Windustry.org

Existen tres tipos básicos de torres adecuadas para turbinas de tamaño agrícola:

Torre monopilar
Este tipo de torre suele ser el más económico. Se trata de una torre de tipo basculante y, por lo general, se instala utilizando un poste de elevación y un cabrestante. Las torres monopilares suelen contar con cuatro cables de sujeción como soporte. El mantenimiento de la turbina se realiza inclinando la torre hacia abajo. La altura de este tipo de torre está limitada por el peso de la máquina, y las máquinas de 10 kW suelen ser las más grandes que se pueden colocar en este tipo de torres. Las torres basculantes requieren espacio para los cables de sujeción y para inclinar la torre hacia arriba y hacia abajo.

Aerogenerador con estructura de celosía arriostrada. Foto: Windustry.org

Celosía arriostrada

 Las torres de celosía arriostradas suelen ser más caras que los diseños monopolo, pero pueden soportar turbinas más grandes a alturas mayores. Por lo general, las torres se instalan utilizando un poste de izamiento y un cabrestante. Las torres de celosía arriostradas también tienen la ventaja de que pueden inclinarse hacia abajo o de que son relativamente fáciles de escalar para el mantenimiento regular (escalar, si se hace con las precauciones de seguridad, el equipo y la capacitación adecuados, es mucho más seguro que inclinar la torre hacia abajo y hacia arriba cada vez que se requiere mantenimiento). Las torres de celosía arriostradas requieren mucho espacio para inclinar la torre hacia abajo y hacia arriba, así como para los cables de arriostramiento. Consulta con los fabricantes de turbinas para ver qué opciones de torre recomiendan para los distintos modelos de turbinas.

Aerogenerador de celosía. Foto: Windustry.org

Lattice

En la mayoría de los casos, las torres de celosía son necesarias para máquinas de más de 20 kW. La instalación de estas torres suele ser más complicada que la de una torre de celosía arriostrada, ya que se necesita una grúa para levantar la torre y la turbina y colocarlas en su lugar. El mantenimiento se realiza trepando por la torre. Si es necesario realizar trabajos importantes en una máquina, puede ser necesario utilizar una grúa para retirar la turbina de la torre. Consulta con los fabricantes para determinar qué opciones de torre recomiendan para los diferentes modelos de turbinas.

Por ejemplo, un sistema de 10 kW puede costar entre 47 000 y 60 000 dólares, incluida la instalación. Los reembolsos, los créditos fiscales y otros incentivos pueden reducir estos costos. Según la AWEA, las turbinas eólicas pequeñas bien ubicadas suelen amortizarse en un plazo de 15 años, aproximadamente la mitad de su vida útil, si se aplican los incentivos adecuados.

Aunque los sistemas de energía eólica implican una inversión inicial significativa, si se toma en cuenta la reducción o el ahorro en los costos de servicios públicos a lo largo de su vida útil, pueden resultar competitivos frente a las fuentes de energía convencionales. La duración del período de recuperación —el tiempo que transcurre hasta que los ahorros generados por el sistema igualan el costo del propio sistema— depende del sistema específico, del recurso eólico en el lugar, de los costos de la electricidad en la zona y de cómo se utilice el sistema eólico.

¿Puedo instalar un sistema de energía eólica por mi cuenta?
“La mayoría de los distribuidores ofrecen instalaciones completas ‘llave en mano’ (listas para funcionar) o la opción de comprar directamente de fábrica e instalar el sistema por cuenta propia. La primera opción brinda mayor apoyo al cliente por parte de la empresa. La autoinstalación ofrece un ahorro significativo y un conocimiento práctico de la turbina. Los futuros propietarios pueden analizar las opciones disponibles con los fabricantes para decidir qué método se adapta mejor a su presupuesto y habilidades técnicas”. –Asociación Estadounidense de Energía Eólica

Incentivos financieros

Las turbinas eólicas pequeñas pueden proporcionar energía complementaria a las granjas y los ranchos, como en esta granja del oeste de Kansas. El exceso de energía se inyecta a la red eléctrica. Foto: Warren Gretz, NREL/PIX09615

Los incentivos financieros pueden hacer que la energía eólica sea más accesible para los agricultores y ganaderos. Descubre qué incentivos existen tanto a nivel estatal como federal en la Base de datos de incentivos estatales para la energía renovable (DSIRE) en www.dsireusa.org.

La energía eólica puede ser una alternativa atractiva para las granjas y los ranchos de todo el país, ya que ofrece numerosos beneficios, entre ellos la reducción de los costos de energía, la disminución del impacto ambiental y una mayor independencia energética. Sin embargo, al igual que con todos los sistemas de energía renovable, estos sistemas también presentan algunos retos. Realiza un análisis minucioso de las necesidades energéticas y el potencial de los recursos eólicos, así como de la rentabilidad del sistema, los beneficios y los posibles obstáculos, para determinar si la energía eólica es una buena opción para tu granja o rancho.

Referencias

Oficina de Energía de Arkansas. 2008. Guía del consumidor sobre energía renovable en Arkansas.

Instituto de Estudios Ambientales y Energéticos. 2012. Hoja informativa: Energía eólica a pequeña escala para hogares, granjas y comunidades.

Departamento de Energía de EE. UU. 2005. Sistemas eólicos de pequeña escala: Guía para el consumidor estadounidense.

NorthWestern Energy. 2007. Guía del consumidor sobre la generación de energía eólica a pequeña escala y energía solar fotovoltaica.

Departamento de Energía de EE. UU., Programa de Tecnologías Eólicas e Hidroeléctricas. 2012. Sistemas eólicos pequeños 2012.

Asociación Mundial de Energía Eólica. 2012. Informe mundial sobre la energía eólica a pequeña escala.

Recursos adicionales

Asociación Estadounidense de Energía Eólica

Centro Nacional de Tecnología Apropiada (NCAT)

Laboratorio Nacional de Energía Renovable

Coordinación Nacional para la Energía Eólica

Unión de Científicos Preocupados

Programa de Tecnologías de Energía Eólica del Departamento de Energía de EE. UU.

Windustry

Energía eólica a pequeña escala en las granjas
Por Cathy Svejkovsky, especialista en energía del NCAT
Publicado en agosto de 2007
Actualizado en noviembre de 2012
Por David Ryan, ingeniero profesional (PE), ingeniero de energía del NCAT
© NCAT
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Esta publicación ha sido elaborada por el Centro Nacional de Tecnología Apropiada (NCAT) a través del programa de Agricultura Sostenible de ATTRA, en el marco de un acuerdo de cooperación con el Departamento de Desarrollo Rural del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA). ATTRA.NCAT.ORG.